材料塑性成形新技术

材料塑性成形新技术（共7篇）

1.材料塑性成形新技术 篇一

引言

微塑性成形技术主要是采用塑性变形的方式进行形成微型零件的工艺方法， 在多种复杂形状微小零件作用下能够达到微米量级，所以在微型零件的制造上较为适用。微塑性成形技术并非是传统塑性成形工艺的简单等比例缩小，其作为新的研究领域对实际的发展有着重要促进作用，故此加强这一领域的理论研究就有着实质性意义。

1 精密微塑性成形原理特征及方法分析

1.1 精密微塑性成形原理特征分析

科技的发展带来了生产的效率提升，在微塑性成形技术的发展过程中经历了不同时期的进步，传统的成形工艺按照比例微缩到微观领域在参数上的适应性就失去了。而微塑性成形技术在现阶段已经成了多种学科交叉的边缘技术，实际成形中的润滑以及摩擦也与此同时发生了一些变化，所以宏观摩擦学当中的摩擦理论就不能有效适应。但由于微小尺度下秒面积与体积的增大，所以在摩擦力就对成形造成的影响逐渐扩大，那么润滑就是比较关键的因素。从实际的成形原理来看，在工件进行微缩化的过程中，此时在摩擦力上就会随之加大，压力的加大那么封闭润滑包中的润滑油压强也随之加大，这样就支持以及对成形的载荷实现了传递，进而对摩擦也减小了。在工件的尺寸不断的微小化过程中，开口润滑包面积减少幅度不是很大，但在封闭润滑包的面积减少幅度就相对比较大，采用固体润滑剂的过程中由于不存在润滑剂溢出的状况所以就对摩擦系数的影响也较小。

1.2 精密微塑性成形方法分析

微塑性成形工艺及方法的相关研究主要是在微冲压以及微体积成形方面，其中的微体积成形主要是进行的微连接器以及顶杆和叶片等微型的期间精密形成。以螺钉为例，其最小的尺寸只有0.8 微米，而微成形胚料的最小直径是0.3 微米，在模压成形的微结构构建沟槽的最小宽度能够达到二百纳米。另外在微冲压成形这一方法上最为重要的就是进行的薄板微深拉伸以及增量成形等方法。微型器件的微塑性成形技术属于新兴的研究领域，在成形的方法上主要就是实现毫米级的微型器件精密微成形，在微塑性成形技术的不断发展下，这一技术会进一步的优化。

2.材料塑性成形新技术 篇二

随着微机电系统 (MEMS)等技术的 蓬勃兴起和快速发展,微金属构件的需求日益增多,形成巨大的市场需求。但是,当微结构尺寸达到微米量级时,材料微塑性成形时通常表现出两种与尺度有关的效应[1,2]:一是晶粒尺度对材料性能影响的晶粒尺度效应(grainsizeeffects);二是特征尺度(长度、宽度、厚度、直径等描述材料外形的尺度参数)效应或试 样尺度效 应 (featuresizeeffectsorspecimensizeeffects)。这两种尺度效应都将导致微金属构件在微塑性成形中表现出显著的尺度依赖行为,而且随着特征尺寸的减小,呈现出一种“越小越强”的独特现象[3]。早在20世纪初,Cosserat等[4]提出了微极非线性弹性理论,但该理论在纯拉压荷载下作为正则化机制而引入的对偶应力将不起作用。20世纪80年代后期,随着微金属构件的应用,金属材料微塑性成形中新的科学问题的出现重新引起学者的广泛重视和研究。如Mindlin[5]将弹性体的应变能密度视为应变和它的第一、第二阶导数的函数,给出了一种更常用的仅 包含应变 和其一阶 导数的简 化理论;Fleek等[6]在细铜丝扭转实验中观测到微尺度下应变梯度的硬化;Stolken等[7]通过试验发现镍的量纲一弯曲硬化随着薄片厚度的减小而明显增大;Aifantis等[8,9]建立了应变 梯度塑性 理论,并解释了不常见微结构标准尺寸试件、普通微结构小尺寸试件在扭转和弯曲中的微尺度效应;Lam等[10]研究了微悬臂梁的弯曲问题,发现微梁的量纲一刚度与梁厚二次方成反比关系。国内的一些学者也开展了相关的研究,如黄克智等[11]综合了偶应力和应变梯度塑性理论并对其进行了介绍;李河宗等[12]对不同厚度及粗细两种晶粒尺寸的黄铜箔试样进行了单向拉伸和微弯曲实验研究;聂志峰等[13]进行了应变梯度弹性理论下微构件尺寸效应的数值研究;周丽等[14]运用应变梯度塑性理论模拟颗粒增强铝合金强度及延伸率的尺寸效应。这些研究主要从微尺度下的应变梯度塑性理论、一些特殊微结构件的微尺度效应等方面进行研究,对进一步研究微尺度效应具有很好的借鉴意义。T2紫铜电极无方向性,导电性能极佳,加工性、延展性、防蚀性及耐候性良好,在电子行业应用极为广泛,但鲜有研究人员对T2紫铜微成形中微尺度效应开展研究。本文主要研究T2紫铜的单向拉伸、硬度和微弯曲性能特点,并对试验中表现出的尺寸效应现象进行分析与讨论。

1试验设计

1.1试验材料

试验材料为T2紫铜,厚度分别为:30、60、90、120、150μm,其化学成分见表1,力学性能见表2。

%

材料的退火处理方式如下:加热温度分别为400℃和620℃,保温时间为1.2h,冷却速度为0.5℃/s。通过退火处理,可消除材料轧制织构对试验的影响,细化晶粒,获得试验所需的粗晶和细晶晶粒尺 寸的试样。 晶粒大小 采用ASTME112-96(2004)平均晶粒度测定方法(GB/T6394?2002)获得。

1.2试验方法与设备

1.2.1单向拉伸试验

单轴微拉伸试验系统设计如下:在美国伊利诺斯州立大学Saif教授设计的薄膜材料力学性能测试系统基础上,根据材料和测试要求,设计适用于本课题要求的单轴微拉伸系统,整个微拉伸测量系统主要由三维可调平台、力传感器、位移传感器、力传感器、驱动装置、图像采集、机械框架和夹具等部分组成。单向微拉伸试验微试件的几何尺寸如图1所示。试件在激光切割机上切出。拉伸试验时,由双视场显微镜与CCD数码视频相机对拉伸过程进行全程的跟踪拍照记录,检测试样拉伸时标距长度的变化情况,然后通过计算机处理得到应变 数据,绘制材料 单向拉伸 应力应变曲线。

1.2.2微弯曲试验

微弯曲试验如图2所示。微弯曲试验相关参数设定如下:h为板材厚度,C为弯曲凸凹模之间的间隙(弯曲间隙),Rp为凸模圆角半径,Rd为弯曲凹模圆角半径,u为凸模运动速度。试验时由CCD数码视频相机对微弯曲过程进行全程的跟踪拍照记录,得到微弯曲过程关键位置弯曲情况,弯曲角度通过冲头行程控制;在计算机上采用边缘检测算法即时对拍摄的图片进行图像处理,得到相应的弯曲及回弹后的角度,通过数据处理得到弯曲回弹角。为了保证试验的普遍性,重复上述试验8次,然后取回弹角的平均值。

1.2.3微硬度试验

图3为微硬度试验示意图。在微硬度实验机上检测弯曲圆弧变形区域侧面硬度的变化情况,获得压痕点的硬度,以研究变形区的硬度变化情况。图中的楔形压头角度β=140.6°,20s内加载100mN,保压时间为5s,h为板材厚度,δ为压痕深度,Ac为真实接触长度,P为压头所受的支反力之和,即压痕力。微压痕真实硬度Hc定义为平均接触压力,即Hc=P/Ac。

2结果与讨论

2.1特征尺度对拉伸的影响

图4a为平均晶粒尺寸D为20μm的细晶,厚度h为30~150μm的T2紫铜板微拉伸时应力-应变曲线。从图中可以看出,厚度为30μm板材的拉伸强度比厚度为150μm的板材拉伸强度提高了28%,即随着板材厚度的减小,量纲一弯曲刚度随之增大,且屈服应力比试样厚度减小得快,呈现出“越小越强”的特征。当材料外观特征尺寸L(如构件几何尺寸、变形场尺寸等)远大于材料内禀特征常数l(如金属材料晶粒尺寸、颗粒夹杂大小、位错胞尺寸、多孔介质空洞直径、复合材料增强相直径等)时,应变梯度对材料塑性硬化的影响可以忽略,但材料微塑性成形时,微构件的外观特征长度L接近甚至小于材料内禀特征常数l,组成材料的粒子的个体行为就会变得非常显著。试验也表明,试样尺寸越小,非均匀变形就越明显,额外的强化也就越显著。材料的微观界面周围的变形场是非均匀的,当材料非均匀变形的“特征波长”和材料内禀特征长度在同一量级时,几何必须位错(GND),形成额外强化,强度增大,说明拉伸强度与单个晶粒的晶粒位向、晶粒大小、材料厚度方向的晶粒个数以及边界约束条件等相关,其中最关键的是晶粒位向,应用应变梯度理论可以很好地捕捉材料局部非均匀性对材料力学行为的附加影响,此时微尺度下等效塑性应变可由下式确定[15]:

式中,εe为等效Cauchy应变,反映了统计存储位错对材料硬化的影响;xe为等效曲率,反映了几何必须位错对材料硬化的影响。

图4b为板厚h为150μm、平均晶粒尺寸为50μm细晶和120μm粗晶微拉伸时应力应变曲线。从图中可以看出,同一厚度板材,晶粒较小时,材料的延伸率 较大,平均晶粒 尺寸为50μm的细晶,其拉伸强 度比平均 晶粒尺寸为120μm的粗晶提高了33%。由于在微尺度条件下的微塑性变 形,不但有统 计存储位 错 (SSD),同时由于晶体网格的相容性,还会产生附加的几何必须位错 (GND)。而几何必须位错一般为周期性规则排列,且符号一致,故对滑移产生强烈的阻碍作用,产生局部非均匀塑性变形和大的应变梯度,使材料硬化增强。同时,晶粒越细,晶界上产生的几何必须位错密度越大,应变梯度就越大,这样就增大了塑性滑移阻力,使硬化效应强。

2.2特征尺度对硬度的影响

图5所示为板厚 为150μm、晶粒平均 尺寸为50μm时特征尺寸效应对硬度的影响。图5a为不同压入深度与压痕力关系曲线。从图中可以看出,在相同的压入深度下,压痕力随着内禀尺度增大而增大。图5b为不同压入深度与压痕硬度关系曲线。从图中可以看出,不同的压入深度,压痕硬度是不同的,当压痕深度 (δ)与板材厚度(h)比值小于等于0.2时,压入深度增大,压痕硬度变小,呈现“越大越软”现象;当压痕深度δ与板材厚度h的比值大于0.2时,压入深度增大,压痕硬度增大,呈现“越大越硬”现象。事实上,塑性硬化不仅同应变和旋转梯度有关,还同拉伸梯度相关,其等效塑性应变满足以下关系[16]:

式中,C1、C2、C3为本构参数;l1、l2、l3为3个材料内禀特征长度,其中l1同拉伸梯度相关,l2和l3同旋转梯度相关;εij为Cauchy应变;ε′ij为εij的偏量部分;kijk为应变梯度;k′ijk为kijk的偏量部分。

与宏观构件相比,微构件在材料表面的晶粒个数占总晶粒个数的百分比很高(如细晶),材料表面的晶粒受周围晶粒的约束作用小,因此,当压入深度较小时,晶粒容易产生滑移,从而使流动应力减小,强度降低,产生“越大越软”的尺度效应现象。随着压入深度的增大,板材厚度方向的晶粒已减少至1~2个晶粒,晶粒位向一致的可能性增大,产生附加的几何必须位错,硬化作用增强,产生“越大越硬”的尺度效应现象。这样的硬度变化规律也被Saha等[17]和Liu等[18]通过试验和数据预测所证实。

2.3特征尺度对回弹的影响

图6为不同厚度下回弹角的试验值与理论预测对比图,其中s0为传统理论计算值,s1为应变梯度理论计算值,s2为试验结果值。从图中可以看出,试样实测的回弹角基本上随板料厚度的减小而增大, 特别是当 材料厚度 小于一定值(0.06mm)时,回弹角随板料厚度的变化更为剧烈,这种变化来自于微塑性成形中材料的应变梯度硬化效应,说明在微塑性成形中不仅存在微尺度效应现象,而且应变梯度在微弯曲过程中起着相当重要的硬化作用。

s0 曲线为应用传统弯曲理论预测得到的弯曲回弹角变化曲线,可以看出,曲线基本呈水平状,除随屈服强度的变化有微小的波动外,回弹角基本不随材料厚度的变化而变化,这与试验结果存在明显差异,说明在微塑性成形中传统弯曲理论并不适用。s1 曲线为应用应变梯度理论预测得到的弯曲回弹角变化曲线,此时,回弹角随材料厚度变化曲线与试验结果较接近,当材料厚度小于一定值(0.06mm)后,两者变化基本一致,说明微塑性成形中应用应变梯度塑性理论能够较为准确地反映材料弯曲过程中出现的应变梯度硬化效应,较为准确地预测材料弯曲回弹现象,得到更为合理的结果。

3结论

(1)T2紫铜微拉伸时,厚度为30μm的板材其拉伸强度比 厚度为150μm的板材提 高了28%;平均晶粒尺寸D为50μm的细晶,其拉伸强度比平均晶粒尺寸D为120μm的粗晶提高了33%。即微构件的外观特征长度L小于等于材料内禀特征常数l时,GND形成额外强化,强度增大,拉伸时呈现出“越小越强”的特征。

(2)当T2紫铜的压痕深度δ与板材厚度h的比值小于等于0.2时,随着压入深度增大,压痕硬度变小,呈现“越大越软”现象;当比值小于0.2时,随着压入深度增大,压痕硬度增大,呈现“越大越硬”现象。

3.材料塑性成形新技术 篇三

[关键词]塑性成形专业；实验综合平台；主观能动性；教学改革

[中图分类号]G642.423[文献标识码]A[文章编号]1005-4634(2011)03-0048-03

0引言

在教学改革中，实验教学是非常重要的一个环节，但是长期以来实验教学仍按传统的模式进行，严重制约着教学改革的进程。塑性成形专业热加工工艺实验应用开发较为薄弱，如何进行有效的、立体的实验教学是一个新的课题。

CDIO国际工程教育组织提出的新型的工程教育模型CDIO(Conceive-Design-Implement-Oper-ate，即“构想一设计一实施一操作”)在美国麻省理工学院等前沿的工程大学的机械工程和航空航天等专业得到了很好的检验和应用。因此，以培养国际化制造业的创新型人才为目标，完善实验教学机制，采用CDIO工程教育模型构建机械工程创新型人才的培养方案，建设基于CDIO工程教育模型的研究型教学实验体系，培养一大批高素质的创新型人才成为实验教学研究的一个新起点。

基于CDIO工程教育模型，以实验教学模式改革为契机，着手热加工工艺实验平台的建设。在原有实验教学资源的基础上，开发大型设备功能并完善引进先进的实验教学技术手段，将多学科内容综合并系统化。热加工工艺实验教学平台建设将大大提高实验教学水平，有助于巩固、提高塑性成形专业毕业生在该方向的人才市场竞争力。

1传统热加工工艺实验教学

在传统教育模式中，与理论教学相比实验教学总是处于不受重视的地位，实验教学一直是整个教学中的薄弱环节，造成这种情况的主要原因是：实验内容有限：课时安排仅围绕理论教学大纲开展，无拓展性、开放性；实验形式单一：一切以教师的“教”为中心，学生只是被动的接受，演示性、验证性实验多，创新型、综合性实验少，学生缺乏各门专业知识的综合应用能力，缺少独立动手和创新的机会，严重抑制了学生的想象力、自由发挥空间和学习兴趣；实验教学经费投入少，实验条件落后，设备陈旧，教师对实验教学缺乏积极性等。种种原因致使各热加工工艺实验不能系统化，各子实验没有任何承接关系，只是对有关理论的验证或是演示。学生进行实验也缺乏积极性，总是做此忘彼，虽然实验算是成功但是欠缺学以致用、活学活用的目的。如何改善薄弱的热加工技术实验现状，开展高效的、立体的热加工工艺实验教学，值得进一步讨论和实践。

2创新实验教学手段，促进教学平台搭建

十几年来，燕山大学机械工程学院锻压实验室承担了数十项国家和省自然科学基金项目的实验工作，产生了大量的科研成果，如何将科研成果与实验教学相互结合，相互促进，相辅相成，形成统一的整体，使实验教师积极参加到各项科研及培养学生的工作中去，及时了解掌握最新的科研动向及实验技术，培养学生的创新能力和专业知识的综合应用能力，是实践教学体系的重要环节。利用基金项目搭建的实验平台，对传统实验课内容作出合理调整，大幅降低了验证性和演示性实验数量，将专业实验课进行全面规划调整，将几门课的内容有机地结合起来，解决了以往由于实验课程单独开设，内容局限、实验水平受到限制的问题。

由于本专业历史悠久，实验室现有设备中有不少不能完全发挥作用，因此怎样改造陈旧设备，让这些设备重新焕发青春是提高实验教学水平、降低实验教学成本的重要途径。实验室中大多数实验设备是过去几十年生产的，其数据采集、记录、处理功能十分有限，若将设备更新换代，势必面临着巨大的资金投入问题，针对这一状况，将现代测试控制技术应用于传统仪器设备中，设计开发了几套技术先进、适用于各种专业设备与工艺实验的数据采集与控制系统。系统采用目前市场上最先进的数据采集卡、信号调理模块及软件开发平台。系统具有适用性强、采样速率高、系统操作平台先进、信号处理功能强及集成化程度高的特点。

自行设计开发了测试技术综合实验台，该平台包括：位移传感器的静态特性测试平台、光电转速传感器应用平台、电机正逆换向控制平台、机械震动信号分析平台等，丰富了教学内容和手段。现代多媒体教学技术在课堂教学中得到越来越广泛的运用，恰当地运用现代教学多媒体技术，以此作为重要的教学辅助手段可以极大地提高教学效率。

实验室应用LabVtEW测试软件，二次开发出适合本专业特点的实验程序及实验装置。Lab-VIEW综合实验教学平台的使用，充满高新技术气息的氛围，调动了学生对实验课的兴趣和积极性。用LabVIEW软件编程可方便地自行开发出各种实验仪器，代替传统仪器来完成实验，生动直观地展示出许多抽象的物理概念，易于理解，能够达到课堂讲授很难达到的效果；由于实验内容综合了当前新技术新仪器新软件的开发，这正符合学生求新求异的心理，激发了学生的学习热情，课堂气氛活跃，收到了良好的学习效果。

科研与教学结合，使学生在一堂课的容量下体会到了基础实验和学科前沿的结合；通过对设备更新改造以及开发研制专用教学实验仪器和利用多媒体教学等手段，在基本不增加设备投资的情况下推陈出新，解决了实验设备不足、部分设备陈旧的问题，提高了实验教学效果，节约了教学成本。通过开展基于虚拟仪器技术的软件平台建设，为广泛的实验课程提供了一个公共的实验平台，而且该平台可在此基础上继续扩展；通过扩展实验室大型精密仪器设备功能，使与专业相关的实验内容更容易实现。模拟实践环节开设设计性实验课，让学生根据实际需求，利用实验室现有仪器设备，采用先进的技术手段，设计产品开发流程，培养学生的创新能力和动手能力，以适应人才市场的需要。

3面向塑性成形专业的热加工工艺实验教学平台建设

随着教学改革的进行，实验课应根据专业特色，利用科研成果及现有仪器设备，改造陈旧设备，植入新的实验技术与手段，搭建面向塑性成形专业的热加工工艺实验教学平台，将实验课程进行整体重构，改革实验课程体系，将不同的实验课程内容贯穿起来，并融入最新的专业科研成果，统筹安排，构建立体交叉式的实验教学体系。根据学生的实际能力与兴趣，分层次教学，最大程度地调动学生实验课的积极性，为市场需求培养基础知识扎实、动手能力强的创新型人才。

将专业知识融合系统化，打破以前将专业基础课与专业课分离的教学模式，通过合理调整将几门

课程的内容通过一系列实验有机的结合起来，形成系统，整体性的立体实验教学知识平台。实验室将理论课中有关热加工的原理及工艺综合在一起，形成系列实验内容。包括《金属塑性成形原理》、《塑性成形工艺及模具设计》、《成形设备》、《测试技术》等多门课程。统一编制实验教学大纲及热加212212艺实验指导手册，指导学生设计完成整个工艺过程的一系列实验。

将热加工仪器设备平台化，实验室利用已经具有专门的压力设备、普通的加热设备，配备专门的温控设备、组织性能测试设备和成形过程模拟设备，组成一个较完整的热加工实验硬件平台。例如一组学生要完成某新型材料的齿轮热锻成形实验，首先需要用到性能测试设备，如10吨万能材料试验机等获取新型材料的应力应变曲线等参数；接下来根据新型材料的性能参数进行简单数值模拟，选用热加工压力设备，如315吨普通液压机并进行模具设计；用铅试件进行模拟成形后，加工试件并加热，进行齿轮热锻成形。其中用到相关的成形模拟、测试、加热等设备。实验室将二十多台套设备整合、熔炼，形成服务热加工工艺实验的硬件平台。

将实验教学软件平台化，应用软件与专业课实验教学相结合，二次开发出适合本专业特点的实验程序，配置于相应的实验装置。LabVlEW综合实验教学甲台就是自行软件开发与测试硬件相结合的完美产物。实验室将热加工试验过程涉及的一系列造型、数值模拟、虚拟仪器技术软件：AutoCAD、Pro／E、SolidWorks、CATIA、Deform、MSC，MARC、LabVIEW等刻录成光盘，以班级为单位发放，利用课余充分放宽了软件学习时间和空间。软件平台的建设大大活跃了学生的思维空间。

面向塑性成形专业的热加工工艺实验教学平台建设形成了热加52212艺知识的系统化、热加工设备平台化、相关教学软件的平台化，取得了良好的教学效果，极大地激发了学生的学习主动性，有些学生不但完成实验要求的内容，还自己主动做一些工作，学生普遍反映实验内容新颖，设计安排合理。从基础内容到综合实验，专业知识相互关联性强，从硬件学习到软件编程，各个实验环节紧扣，课堂气氛活跃。

4实验教学平台建设取得阶段性成果

面向塑性成形专业的热加工工艺实验教学平台建设加深了学生对实验工程背景的了解。将本专业几门课程的实验有机地结合起来，使学生对于本专业各门课程的实际应用有更深的理解，有助于他们有针对性、有目的地学习相关专业知识。科研与教学结合的方式，使学生在一堂课的容量下体会到了基础实验和学科前沿的结合；通过对设备更新改造以及开发研制专用教学实验仪器和利用多媒体教学等手段，在基本不增加设备投资的情况下推陈出新，解决了实验设备不足、部分设备陈旧的问题，提高了实验教学效果，节约了教学成本。通过开展基于虚拟仪器技术的软件平台建设，为广泛的实验课程提供了一个公共的实验平台，而且该平台可在此基础上继续扩展；通过扩展实验室大型精密仪器设备功能，使与专业相关的实验内容更容易实现。模拟实践环节开设设计性实验课，让学生根据实际需求，利用实验室现有仪器设备，采用先进的技术手段，设计产品开发流程，培养学生的创新能力和动手能力，以适应人才市场的需要。

面向塑性成形专业的热加工工艺实验教学平台的建设经过边发展完善边应用的过程，将7门课程的17个实验融合成一个实验教学平台，已经培养了本科生1500余人，硕士博士研究生300余人。由于实验课内容新颖、系统化，学生实验课的主动性、目的性明显提高，学生的知识结构日趋合理，综合素质、创新意识和实践能力得到明显提高。根据用人单位的反馈情况，普遍反映燕山大学塑性成形专业的毕业生综合能力强，新知识新技术掌握扎实，能够根据用人单位的需要很快适应本职工作。

根据实验平台建设的情况，总结经验，发表了教学类文章5篇，在同行业实验室建设中引起了较大的反响，一些兄弟院校相关专业前来实验室考察，学习建设经验，己为北京航空航天大学、合肥工业大学等学校提供了技术支持，在交流学习中进一步促进了实验室的建设。

本实验平台的搭建是根据专业的发展需求，将科研工作与实验教学相结合，科研与教学相辅相成、互相促进，形成了一个良性发展态势。应用本实验平台，不仅可以优质、高效完成实验教学，还可为相关专业的其它实验教学提供技术支持。

5结束语

4.《金属塑性成形原理》复习题 篇四

塑性变形---当作用在物体上的外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的残余变形；

塑性成形----金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成型并获得一定力学性能 的加工方法，也称塑性加工或压力加工；

塑性成形的特点：①组织、性能好②材料利用率高③尺寸精度高④生产效率高 2.试述塑性成形的一般分类。

Ⅰ.按成型特点可分为块料成形(也称体积成形)和板料成型两大类 1）块料成型是在塑性成形过程中靠体积转移和分配来实现的。可分为一次成型和二次加工。

一次加工：

①轧制----是将金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定空间使其产生塑性变形，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法。分纵轧、横轧、斜轧；

用于生产型材、板材和管材。

②挤压----是在大截面坯料的后端施加一定的压力，将金属坯料通过一定形状和尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得符合模孔截面形状的小截面坯料或零件的塑性成形方法。分正挤压、反挤压和复合挤压；

适于(低塑性的)型材、管材和零件。

③拉拔----是在金属坯料的前端施加一定的拉力，将金属坯料通过一定形状、尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的小截面坯料的塑性成形方法。生产棒材、管材和线材。

二次加工：

①自由锻----是在锻锤或水压机上，利用简单的工具将金属锭料或坯料锻成所需的形 状和尺寸的加工方法。精度低，生产率不高，用于单件小批量或大锻件。

②模锻----是将金属坯料放在与成平形状、尺寸相同的模腔中使其产生塑性变形，从 而获得与模腔形状、尺寸相同的坯料或零件的加工方法。分开式模锻和闭式模锻。

2）板料成型一般称为冲压。分为分离工序和成形工序。

分离工序：用于使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，如冲裁、剪切等工序；

成型工序：用来使坯料在不破坏的条件下发生塑性变形，成为具有要求形状和尺寸的零件，如弯曲、拉深等工序。

Ⅱ.按成型时工件的温度可分为热成形、冷成形和温成形。

3.试分析多晶体塑性变形的特点。

1）各晶粒变形的不同时性。不同时性是由多晶体的各个晶粒位向不同引起的。

2）各晶粒变形的相互协调性。晶粒之间的连续性决定，还要求每个晶粒进行多系滑移；

每个晶粒至少要求有 5个独立的滑移系启动才能保证。

3）晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间的变形的不均匀性。

Add：

4）滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。

5）多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。

6）塑性变形时，导致一些物理，化学性能的变化。

7）时间性。hcp系的多晶体金属与单晶体比较，前者具有明显的晶界阻滞效应和极高的加工硬化率，而在立方晶系金属中，多晶和单晶试样的应力—应变曲线就没有那么大的差别。

4.试分析晶粒大小对金属塑性和变形抗力的影响。

①晶粒越细，变形抗力越大。晶粒的大小决定位错塞积群应力场到晶内位错源的距离，而这个距离又影响位错的数目n。晶粒越大，这个距离就越大，位错开动的时间就越长，n也就越大。n越大，应力场就越强，滑移就越容易从一个晶粒转移到另一个晶粒。

②晶粒越细小，金属的塑性就越好。

a．一定体积，晶粒越细，晶粒数目越多，塑性变形时位向有利的晶粒也越多，变形能较均匀的分散到各个晶粒上；

b．从每个晶粒的应力分布来看，细晶粒是晶界的影响区域相对加大，使得晶粒心部的应变与晶界处的应变差异减小。这种不均匀性减小了，内应力的分布较均匀，因而金属断裂前能承受的塑性变形量就更大。

5.什么叫加工硬化？产生加工硬化的原因是什么？加工硬化对塑性加工生产有何利弊？ 加工硬化----随着金属变形程度的增加，其强度、硬度增加，而塑性、韧性降低的现象。加工硬化的成因与位错的交互作用有关。随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，位错反应和相互交割加剧，结果产生固定割阶、位错缠结等障碍，以致形成胞状亚结构，使位错难以越过这些障碍而被限制在一定范围内运动。这样，要是金属继续变形，就需要不断增加外力，才能克服位错间强大的交互作用力。

加工硬化对塑性加工生产的利弊：

有利的一面：可作为一种强化金属的手段，一些不能用热处理方法强化的金属材料，可应用加工硬化的方法来强化，以提高金属的承载能力。如大型发电机上的护环零件(多用高锰奥氏体无磁钢锻制)。

不利的一面：①由于加工硬化后，金属的屈服强度提高，要求进行塑性加工的设备能力增加；

②由于塑性的下降，使得金属继续塑性变形困难，所以不得不增加中间退火工艺，从而降低了生产率，提高了生产成本。

6.什么是动态回复？为什么说动态回复是热塑性变形的主要软化机制？ 动态回复是在热塑性变形过程中发生的回复(自发地向自由能低的方向转变的过程)。

动态回复是热塑性变形的主要软化机制，是因为：

①动态回复是高层错能金属热变形过程中唯一的软化机制。动态回复是主要是通过位错的攀移、交滑移等实现的。对于层错能高的金属，变形时扩展位错的宽度窄，集束容易，位错的交滑移和攀移容易进行，位错容易在滑移面间转移，而使异号位错相互抵消，结果使位错密度下降，畸变能降低，不足以达到动态结晶所需的能量水平。因为这类金属在热塑性变形过程中，即使变形程度很大，变形温度远高于静态再结晶温度，也只发生动态回复，而不发生动态再结晶。

②在低层错能的金属热变形过程中，动态回复虽然不充分，但也随时在进行，畸变能也随时在释放，因而只有当变形程度远远高于静态回复所需要的临界变形程度时，畸变能差才能积累到再结晶所需的水平，动态再结晶才能启动，否则也只能发生动态回复。

Add：动态再结晶容易发生在层错能较低的金属，且当热加工变形量很大时。这是因为层错能低，其扩展位错宽度就大，集束成特征位错困难，不易进行位错的交滑移和攀移；

而已知动态回复主要是通过位错的交滑移和攀移来完成的，这就意味着这类材料动态回复的速率和程度都很低(应该说不足)，材料中的一些局部区域会积累足够高的位错密度差(畸变能差)，且由于动态回复的不充分，所形成的胞状亚组织的尺寸小、边界不规整，胞壁还有较多的位错缠结，这种不完整的亚组织正好有利于再结晶形核，所有这些都有利于动态再结晶的发生。需要更大的变形量上面已经提到了。

7.什么是动态再结晶？影响动态再结晶的主要因素有哪些？动态再结晶是在热塑性变形过程中发生的再结晶。动态再结晶和静态再结晶基本一样，也会是通过形核与长大来完成，其机理也是大角度晶界(或亚晶界)想高位错密度区域的迁移。

动态再结晶的能力除了与金属的层错能高低(层错能越低，热加工变形量很大时，容易出现动态再结晶)有关外，还与晶界的迁移难易有关。金属越存，发生动态再结晶的能力越强。当溶质原子固溶于金属基体中时，会严重阻碍晶界的迁移、从而减慢动态再结晶的德速率。弥散的第二相粒子能阻碍晶界的移动，所以会遏制动态再结晶的进行。

9.钢锭经过热加工变形后其组织和性能发生了什么变化？(参见 P27-31)①改善晶粒组织②锻合内部缺陷③破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布④形成纤维组织⑤改善偏析 10.冷变形金属和热变形金属的纤维组织有何不同？ 冷变形中的纤维组织：轧制变形时，原来等轴的晶粒沿延伸方向伸长。若变形程度很大，则晶粒呈现为一片纤维状的条纹，称为纤维组织。当金属中有夹杂或第二相是，则它们会沿变形方向拉成细带状(对塑性杂质而言)或粉碎成链状(对脆性杂质而言)，这时在光学显微镜下会很难分辨出晶粒和杂质。在热塑性变形过程中，随着变形程度的增大，钢锭内部粗大的树枝状晶逐渐沿主变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也逐渐与主变形方向一致，其中脆性夹杂物(如氧化物，氮化物和部分硅酸盐等)被破碎呈链状分布；

而苏醒夹杂物(如硫化物和多数硅酸盐等)则被拉长呈条状、线状或薄片状。于是在磨面腐蚀的试样上便可以看到顺主变形方向上一条条断断续续的细线，称为“流线 ”，具有流线的组织就称为“纤维组织”。在热塑性加工中，由于再结晶的结果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而纤维组织却被很稳定的保留下来直至室温。所以与冷变形时由于晶粒被拉长而形成的纤维组织是不同的。

12.什么是细晶超塑性？什么是相变超塑性？ ①细晶超塑性它是在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满足要求的条件下所呈现的超塑性。具体地说，材料的晶粒必须超细化和等轴化，并在在成形期间保持稳定。

②相变超塑性要求具有相变或同素异构转变。在一定的外力作用下，使金属或合金在相变温度附近反复加热和冷却，经过一定的循环次数后，就可以获得很大的伸长率。相变超塑性的主要控制因素是温度幅度和温度循环率。

15.什么是塑性？什么是塑性指标？为什么说塑性指标只具有相对意义? 塑性是指金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力，它是金属的一种重要的加工性能。

塑性指标，是为了衡量金属材料塑性的好坏而采用的某些试验测得的数量上的指标。

常用的试验方法有拉伸试验、压缩试验和扭转试验。

由于各种试验方法都是相对于其特定的受力状态和变形条件的，由此所测定的塑性指标(或成形性能指标)，仅具有相对的和比较的意义。它们说明，在某种受力状况和变形条件下，哪种金属的塑性高，哪种金属的塑性低；

或者对于同一种金属，在那种变形条件下塑性高，而在哪种变形条件下塑性低。

16.举例说明杂质元素和合金元素对钢的塑性的影响。(P41-44)①碳：固溶于铁时形成铁素体和奥氏体，具有良好的塑性。多余的碳与铁形成渗碳体(Fe 3C),大大降低塑性；

②磷：一般来说，磷是钢中的有害杂质，它在铁中有相当大的溶解度，使钢的强度、硬度提高，而塑性、韧性降低，在冷变形时影响更为严重，此称为冷脆性。

③硫：形成共晶体时熔点降得很低(例如 FeS的熔点为 1190℃，而 Fe-FeS的熔点为 985℃)。这些硫化物和共晶体，通常分布在晶界上，会引起热脆性。

④氮：当其质量分数较小(0.002%~0.015%)时，对钢的塑性无明显的影响；

但随着氮化物的质量分数的增加，钢的塑性降降低，导致钢变脆。如氮在α铁中的溶解度在高温和低温时相 差很大，当含氮量较高的钢从高温快速冷却到低温时，α铁被过饱和，随后在室温或稍高温度下，氮逐渐以 Fe 4N形式析出，使钢的塑性、韧性大为降低，这种现象称为时效脆性。

若在 300℃左右加工时，则会出现所谓“兰脆”现象。

⑤氢：氢脆和白点。

⑥氧：形成氧化物，还会和其他夹杂物(如 FeS)易熔共晶体(FeS-FeO，熔点为910℃)分布于晶界处，造成钢的热脆性。

合金元素的影响：①形成固溶体；

②形成硬而脆的碳化物；

…… 17.试分析单相与多相组织、细晶与粗晶组织、锻造组织与铸造组织对金属塑性的影响。

①相组成的影响：单相组织(纯金属或固溶体)比多相组织塑性好。多相组织由于各相性能不同，变形难易程度不同，导致变形和内应力的不均匀分布，因而塑性降低。如碳钢在高温时为奥氏体单相组织，故塑性好，而在 800℃左右时，转变为奥氏体和铁素体两相组织，塑性就明显下降。另外多相组织中的脆性相也会使其塑性大为降低。

②晶粒度的影响：晶粒越细小，金属的塑性也越好。因为在一定的体积内，细晶粒金属的晶粒数目比粗晶粒金属的多，因而塑性变形时位向有利的晶粒也较多，变形能较均匀地分散到各个晶粒上；

又从每个晶粒的应力分布来看，细晶粒时晶界的影响局域相对加大，使得晶粒心部的应变与晶界处的应变差异减小。由于细晶粒金属的变形不均匀性较小，由此引起的应力集中必然也较小，内应力分布较均匀，因而金属在断裂前可承受的塑性变形量就越大。

③锻造组织要比铸造组织的塑性好。铸造组织由于具有粗大的柱状晶和偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，故使金属塑性降低。而通过适当的锻造后，会打碎粗大的柱状晶粒获得细晶组织，使得金属的塑性提高。

18.变形温度对金属塑性的影响的基本规律是什么？ 就大多数金属而言，其总体趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并不是简单的线性上升；

在加热过程中的某些温度区间，往往由于相态或晶粒边界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。在一般情况下，温度由绝对零度上升到熔点时，可能出现几个脆性区，包括低温的、中温的和高温的脆性区。下图是以碳钢为例：区域Ⅰ，塑性极低—可能是由与原子热振动能力极低所致，也可能与晶界组成物脆化有关；

区域Ⅱ，称为蓝脆区(断口呈蓝色)，一般认为是氮化物、氧化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出 所致，类似于时效硬化。区域Ⅲ，这和珠光体转变为奥氏体，形成铁素体和奥氏体两相共存有关，也可能还与晶界上出现FeS-FeO低熔共晶有关，为热脆区。

19.什么是温度效应？冷变形和热变形时变形速度对塑性的影响有何不同？ 温度效应：由于塑性变形过程中产生的热量使变形体温度升高的现象。(热效应：塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分都转化成热能的现象)一般来说，冷变形时，随着应变速率的增加，开始时塑性略有下降，以后由于温度效应的增强，塑性会有较大的回升；

而热变形时，随着应变速率的增加，开始时塑性通常会有较显著的降低，以后由于温度效应的增强，而使塑性有所回升，但若此时温度效应过大，已知实际变形温度有塑性区进入高温脆区，则金属的塑性又急速下降。

2.叙述下列术语的定义或含义：

①张量：由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量所组成的集合称为张量；

②应力张量：表示点应力状态的九个分量构成一个二阶张量，称为应力张量；

.ζη η.x xy xz ③应力张量不变量：已知一点的应力状态 ④主应力：在某一斜微分面上的全应力S和正应力ζ重合，而切应力η=0，这种切应力为 零的微分面称为主平面，主平面上的正应力叫做主应力；

⑤主切应力：切应力达到极值的平面称为主切应力平面，其面上作用的切应力称为主切应力 ⑥最大切应力：三个主切应力中绝对值最大的一个，也就是一点所有方位切面上切应力最大的，叫做最大切应力ηmax ⑦主应力简图：只用主应力的个数及符号来描述一点应力状态的简图称为主应力图：

⑧八面体应力：在主轴坐标系空间八个象限中的等倾微分面构成一个正八面体，正八面体的每个平面称为八面体平面，八面体平面上的应力称为八面体应力；

⑨等效应力：取八面体切应力绝对值的3倍所得之参量称为等效应力 ⑩平面应力状态：变形体内与某方向垂直的平面上无应力存在，并所有应力分量与该方向轴无关，则这种应力状态即为平面应力状。实例：薄壁扭转、薄壁容器承受内压、板料成型的一些工序等，由于厚度方向应力相对很小而可以忽略，一般作平面应力状态来处理 11)平面应变状态：如果物体内所有质点在同一坐标平面内发生变形，而在该平面的法线方向没有变形，这种变形称为平面变形，对应的应力状态为平面应变状态。实例：轧制板、带材，平面变形挤压和拉拔等。

12)轴对称应力状态：当旋转体承受的外力为对称于旋转轴的分布力而且没有轴向力时，则物体内的质点就处于轴对称应力状态。实例：圆柱体平砧均匀镦粗、锥孔模均匀挤压和拉拔(有径向正应力等于周向正应力)。

3.张量有哪些基本性质？ ①存在张量不变量②张量可以叠加和分解③张量可分对称张量和非对称张量④二阶对称张量存在三个主轴和三个主值 4.试说明应力偏张量和应力球张量的物理意义。

应力偏张量只能产生形状变化，而不能使物体产生体积变化，材料的塑性变形是由应力偏张量引起的；

应力球张量不能使物体产生形状变化(塑性变形)，而只能使物体产生体积变化。

12.叙述下列术语的定义或含义 1)位移：变形体内任一点变形前后的直线距离称为位移；

2)位移分量：位移是一个矢量，在坐标系中，一点的位移矢量在三个坐标轴上的投影称为改点的位移分量，一般用 u、v、w或角标符号ui 来表示；

3)相对线应变：单位长度上的线变形，只考虑最终变形；

4)工程切应变：将单位长度上的偏移量或两棱边所夹直角的变化量称为相对切应变，也称工程切应变，即δrt = tanθxy =θxy =αyx +αxy(直角∠CPA减小时，θxy取正号，增大时取负号)；

5)切应变：定义γ yx =γ xy= 1θyx 为切应变；

6)对数应变：塑性变形过程中，在应变主轴方向保持不变的情况下应变增量的总和，记为它反映了物体变形的实际情况，故称为自然应变或对数应变；

7)主应变：过变形体内一点存在有三个相互垂直的应变方向(称为应变主轴)，该方向上线元没有切应变，只有线应变，称为主应变，用ε1、ε2、ε3 表示。对于各向同性材料，可以认 为小应变主方向与应力方向重合；

8)主切应变：在与应变主方向成± 45°角的方向上存在三对各自相互垂直的线元，它们的切 应变有极值，称为主切应变；

9)最大切应变：三对主切应变中，绝对值最大的成为最大切应变；

10)应变张量不变量：

11)主应变简图：用主应变的个数和符号来表示应变状态的简图；

12)八面体应变：如以三个应变主轴为坐标系的主应变空间中，同样可作出正八面体，八面体平面的法线方向线元的应变称为八面体应变 13)应变增量：产生位移增量后，变形体内质点就有相应无限小的应变增量，用dεij 来表示；

14)应变速率：单位时间内的应变称为应变速率，俗称变形速度，用ε& 表示，其单位为 s-1；

15)位移速度：

14.试说明应变偏张量和应变球张量的物理意义。应变偏张量εij /----表示变形单元体形状的变化；

应变球张量δijεm----表示变单元体体积的变化；

塑性变形时，根据体积不变假设，即εm = 0，故此时应变偏张量即为应变张量 15.塑性变形时应变张量和应变偏张量有何关系？其原因何在？塑性变形时应变偏张量就是应变张量，这是根据体积不变假设得到的，即εm = 0，应变球张量不存在了。

16.用主应变简图表示塑性变形的类型有哪些？ 三个主应变中绝对值最大的主应变，反映了该工序变形的特征，称为特征应变。如用主应变简图来表示应变状态，根据体积不变条件和特征应变，则塑性变形只能有三种变形类型 ①压缩类变形，特征应变为负应变(即ε1＜0)另两个应变为正应变，ε2 +ε3 =.ε1 ；

②剪切类变形(平面变形)，一个应变为零，其他两个应变大小相等，方向相反，ε2 =0，ε1 =.ε3 ；

③伸长类变形，特征应变为正应变，另两个应变为负应变，ε1 =.ε2.ε3。

17.对数应变有何特点？它与相对线应变有何关系？ 对数应变能真实地反映变形的积累过程，所以也称真实应变，简称真应变。它具有如下 特点：

①对数应变有可加性，而相对应变为不可加应变；

②对数应变为可比应变，相对应变为不可比应变；

③相对应变不能表示变形的实际情况，而且变形程度愈大，误差也愈大。

对数应变可以看做是由相对线应变取对数得到的。

21.叙述下列术语的定义或含义：

Ⅰ屈服准则：在一定的变形条件(变形温度、变形速度等)下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则，也称塑性条件，它是描述受力物体中不同应力状态下的质点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须遵守的力学条件；

Ⅱ屈服表面：屈服准则的数学表达式在主应力空间中的几何图形是一个封闭的空间曲面称为屈服表面。假如描述应力状态的点在屈表面上，此点开始屈服。对各向同性的理想塑性材料，则屈服表面是连续的，屈服表面不随塑性流动而变化。

Ⅲ屈服轨迹：两向应力状态下屈服准则的表达式在主应力坐标平面上的集合图形是封闭的曲线，称为屈服轨迹，也即屈服表面与主应力坐标平面的交线。

22.常用的屈服准则有哪两个？如何表述？分别写出其数学表达式。

常用的两个屈服准则是 Tresca屈服准则和 Mises屈服准则，数学表达式分别为max min Tresca屈服准则：ηmax =ζ.ζ = C2 式中，ζmax、ζ min----带数值最大、最小的主应力；

C----与变形条件下的材料性质有关而与应力状态无关的常数，它可通过单向均匀拉伸试验求的。

Tresca屈服准则可以表述为：在一定的变形条件下，当受力体内的一点的最大切应力ηmax 达到某一值时，该点就进入塑性状体。

Mises屈服准则：ζ= 1(ζ1.ζ 2)2 +(ζ 2.ζ3)2 +(ζ3.ζ1)2 =ζs2 = 1 ζ)()()()2(s2zx2yz2xy2xz2zy2yx6ζηηηζζζζζ=+++.+.+.所以 Mises屈服准则可以表述为：在一定的变形条件下，当受力体内一点的等效应力 ζ达到某一定值时，该点就进入塑性状态。

23.两个屈服准则有何差别？在什么状态下两个屈服准则相同？什么状态下差别最大？ Ⅰ共同点：

①屈服准则的表达式都和坐标的选择无关，等式左边都是不变量的函数；

②三个主应力可以任意置换而不影响屈服，同时，认为拉应力和压应力的作用是一样的；

③各表达式都和应力球张量无关。

不同点：①Tresca屈服准则没有考虑中间应力的影响，三个主应力的大小顺序不知道时，使用不方便；

而 Mises屈服准则则考虑了中间应力的影响，使用方便。

Ⅱ两个屈服准则相同的情况在屈服轨迹上两个屈服准则相交的点表示此时两个屈服准则相同，有六个点，四个单向应力状态，两个轴对称应力状态。

Ⅲ两个屈服准则差别最大的情况:在屈服轨迹上连个屈服准则对应距离最远的点所对应的情况，此时二者相差最大，也是六个点，四个平面应力状态(也可是平面应变状态)，两个纯切应力状态，相差为 15.5%。

28.叙述下列术语的定义或含义：

1)增量理论：又称流动理论，是描述材料处于塑性状态时，应力与应变增量或应变速率之间关系的理论，它是针对加载过程中的每一瞬间的应力状态所确定的该瞬间的应变增量，这样就撇开了加载历史的影响；

2)全量理论：在一定条件下直接确定全量应变的理论，也叫形变理论，它是要建立塑性变形全量应变和应力之间的关系。

3)比例加载：外载荷的各分量按比例增加，即单调递增，中途不卸载的加载方式，满足Ti =CT i 0 ；

4)标称应力：也称名义应力或条件应力，是在拉伸机上拉伸力与原始横断面积的比值；

5)真实应力：也就是瞬时的流动应力，用单向均匀拉伸(或压缩)是各加载瞬间的载荷 P与该瞬间试样的横截面积A之比来表示；

6)拉伸塑性失稳：拉伸过程中发生缩颈的现象 7)硬化材料:考虑在塑性变形过程中因形状变化而会发生加工硬化的材料；

8)理想弹塑性材料：在塑性变形时，需考虑塑性变形之前的弹性变形，而不考虑硬化的材料，也即材料进入塑性状态后，应力不在增加可连续产生塑性变形；

9)理性刚塑性材料：在研究塑性变形时，既不考虑弹性变形，又不考虑变形过程中的加工硬化的材料；

10)弹塑性硬化材料：在塑性变形时，既需要考虑塑性变形前的弹性变形，又要考虑加工硬化的材料；

11)刚塑性硬化材料：在研究塑性变形时，不考虑塑性变形前的弹性变形，但需要考虑变形过程中的加工硬化的材料。

29.塑性变形时应力应变关系有何特点？为什么说塑性变形时应力和应变之间的关系与加载历史有关？ 在塑性变形时，应力应变之间的关系有如下特点：

①应力与应变之间的关系时非线性的，因此，全量应变主轴与应力主轴不一定重合；

②塑性变形时可以认为体积不变，即应变球张量为零，泊松比 υ=0.5；

③对于应变硬化材料，卸载后在重新加载时的屈服应力就是卸载时的屈服应力，比初始屈服应力要高；

④塑性变形时不可逆的，与应变历史有关，即应力-应变关系不在保持单值关系。塑性变形应力和应变之间的关系与加载历史有关，可以通过单向拉伸时的应力应变曲线和不同加载路线的盈利与应变图来说明 P120 30.全量理论使用在什么场合？为什么？ 全量理论适用在简单加载的条件下，因为在简单加载下才有应力主轴的方向固定不变，也就是应变增量的主轴是和应力主轴是重合的，这种条件下对劳斯方程积分得到全量应变和应力之间的关系，就是全量理论。

31.在一般情况下对应变增量积分是否等于全量应变？为什么？在什么情况下这种积分才能成立？ 一般情况下是对应变增量积分是不等于全量应变的，因为一般情况下塑性变形时全量应变主轴与与应力主轴不一定重合。在满足简单加载的的条件下，这种积分才成立。一般情况下很难做到比例加载，但满足几个条件可实现比例加载。可参看第三章第五节中全量理论的部分内容。

1.对塑性成形件进行质量分析有何重要意义？ 对塑性成形件进行质量分析，是检验成形件的质量的一种手段，能够对成形件作出较为全面的评估，指明成形件能否使用和在使用过程中应该注意的问题，可有效防止不必要的安全事故和经济损失。

2.试述对塑性成形件进行质量分析的一般过程即分析方法。

一般过程：调查原始情况→弄清质量问题→试验研究分析→提出解决措施；

分析方法：低倍组织试验、金相试验及金属变形金属变形流动分析试验。

3.试分别从力学和组织方面分析塑性成形件中产生裂纹的原因。

①力学分析：能否产生裂纹，与应力状态、应变积累、应变速率及温度等很多因素有关。其中应力状态主要反映力学的条件。

物体在外力的作用下，其内部各点处于一定的应力状态，在不同的方位将作用有不同的正应力及切应力。材料断裂(产生裂纹)形式一般有两种：一是切断，断裂面是平行于最大切应力或最大切应变方向；

另一种是正断，断裂面垂直于最大正应力或正应变方向。塑性成形过程中，材料内部的应力除了由外力引起外，还有由于变形不均匀而引起的附加应力。由于温度不均而引起的温度应力和因组织转变不同时进行而产生的组织应力。这些应力超过极限值时都会使材料发生破坏(产生裂纹)。

1)由外力直接引起的裂纹；

2)由附加应力及残余应力引起的裂纹；

3)由温度应力(热应力)及组织应力引起的裂纹。

②组织分析：塑性成形中的裂纹一般发生在组织不均匀或带有某些缺陷的材料中，同时，金属的晶界往往是缺陷比较集中的地方，因此，塑性成形件中的裂纹一般产生于晶界或相界处。

1)材料中由冶金和组织缺陷处应力集中而产生裂纹；

2)第二相及夹杂物本身的强度低和塑性低而产生裂纹：a晶界为低熔点物质；

b晶界存在脆性的第二相或非金属夹杂物；

c第二相为强度低于基体的韧性相；

3)第二相及非金属夹杂与基体之间的力学性能和理化性能上有差异而产生裂纹。

4.防止产生裂纹的原则措施是什么？ 1)增加静水压力；

2)选择和控制合适的变形温度和变形速度；

3)采用中间退火，以便消除变形过程中产生的硬化、变形不均匀、残余应力等；

4)提高原材料的质量。

5.什么是钢的奥氏体本质晶粒度和钢的奥氏体实际晶粒度？ 钢的奥氏体本质晶粒度是将钢加热到 930℃，保温一段时间(一般 3—8h)，冷却后在室温下放大 100倍观察到的晶粒大小。钢的本事晶粒度一般反映钢的冶金质量，它表征钢的工艺特性；

钢的奥氏体实际晶粒度是指钢加热到某一温度下获得奥氏体晶粒大小。奥氏体实际晶粒度则影响零件的使用性能。

6.晶粒大小对材料的力学性能有何影响？ 一般情况下，晶粒细化可以提高金属材料的屈服强度、疲劳强度、塑性和冲击韧度，降低钢的脆性转变温度。

7.影响晶粒大小的主要因素有哪些？这些因素是如何影响晶粒大小的？ 对于热加工过程来说，变形温度、变形程度和机械阻碍物是影响形核速度和长大速度的三个基本参数。下面讨论这三个基本参数对晶粒大小的影响。

1)加热温度(包括塑性变形前的加热温度和固溶处理时的加热温度)温度对原子的扩散能力有重要影响。随着温度的升高，原子(特别是晶界原子)的移动、扩散能力不断增强，晶粒之间并吞速度加剧，晶粒的这种长大可以在很短的时间内完成。所以晶粒随温度升高而长大是一种必然现象。

2)变形程度：热变形的晶粒大小与变形程度之间的关系和 5-17相似。

第一个大晶粒区，叫临界变形区。临界变形区是属于一种小变形量范围。因为其变形量小，金属内部只是局部地区受到变形。在再结晶时，这些受到变形的局部地区会产生再结晶核心，由于产生的核心数目不多，这些为数不多的核心将不断长大直到它们互相接触，结果获得了粗大晶粒。当变形量大于临界变形程度时，金属内部均产生了较大的塑性变形，由于具有了较高的畸变能，因而再结晶能同时形成较多的再结晶核心，这些核心稍微长大就相互解除了，所以再结晶后获得了细晶粒。当变形量足够大时，出现了第二个大晶粒区。该区的粗大晶粒与临界变形时所产生的大晶粒不同。一般认为，该区是在变形时先形成变形织构，经再结晶后形成了织构大晶粒所致。可能的原因还可能是：

①由于变形程度大(90%以上)，内部产生很大的热效应，引起锻件实际变形温度大幅度升高；

②由于变形程度大，使那些沿晶界分布的杂质破碎并分散，造成变形的晶粒与晶粒之间局部地区直接接触(与织构的区别在于这时相互接触的晶粒位向差可以是比较大的)，从而促使形成大晶粒。

3)机械阻碍物:机械阻碍物的存在形式分两类：一类是钢在冶炼凝固时从液相直接析出的，颗粒比较大，成偏析或统计分布；

另一类是钢凝固后，在继续冷却过程中从奥氏体晶粒内析出的，颗粒十分细小，分布在晶界上。后一类比前一类的阻碍作用大得多。机械阻碍物的作用主要表现在对晶界的钉扎作用上。一旦机械阻碍物溶入晶内时，晶界上就不存在机械阻碍作用了，晶粒便可立即长大到与所处温度对应的晶粒大小。对晶粒的影响，除以上三个基本因素外，还有变形速度、原始晶粒度和化学成分等。

8.细化晶粒的主要途径有哪些？ ①在原材料冶炼时加入一些合金元素(如钽、铌、锆、钼、钨、钒、钛等)及最终采用铝、钛等作脱氧剂。它们的细化作用主要在于：当液态金属凝固时，那些高熔点化合物起弥散的结晶核心作用，从而保证获得极细晶粒。此外这些化合物同时又都起到机械阻碍的作用，是已形成的细晶粒不易长大。

②采用适当的变形程度和变形温度。塑性变形时应恰当控制最高变形温度(既要考虑加热温度，也要考虑到热效应引起的升温)，以免发生聚集再结晶。如果变形量较小时，应适当降低变形温度。

③采用锻后正火(或退火)等相变重结晶的方法。必要时利用奥氏体再结晶规律进行高温正火来细化晶粒。

11.什么是塑性失稳？拉伸失稳与压缩失稳有什么本质区别？ 塑性失稳：在塑性加工中，当材料所受载荷达到某一临界值后，即使载荷下降，塑性变形还会继续，这种现象称为塑性失稳。压缩失稳的主要影响因素是刚度参数，它在塑性成形中主要表现为坯料的弯曲和起皱，在弹性和塑性变形范围内都可能产生；

拉伸失稳的主要影响因素是强度参数，它主要表现为明显的非均匀伸长变形，在坯料上产生局部变薄或变细的现象，其进一步发展是坯料的拉断和破裂，它只产生于塑性变形范围内。

13.杆件的塑性压缩失稳与板料的塑性压缩失稳其表现形式有何不同？ 杆件的压缩失稳表现为弯曲；

板料的压缩失稳表现为起皱 14.塑性压缩失稳的临界压应力与那些因素有关？(P180-184)15.在板料拉深中，引起法兰变形区起皱的原因是什么？在生产实践中，如何防止法兰变形区的起皱？ 原因：压缩力引起的失稳起皱。成形过程中变形区坯料的径向拉应力ζ1和切向压应力ζ3 的平面应力状态下变形，当切向压应力ζ3 达到失稳临界值时，坯料将产生失稳起皱。

防止方法：加设压边圈 一、填空题 1.衡量金属或合金的塑性变形能力的数量指标有 伸长率 和 断面收缩率。

2.所谓金属的再结晶是指 冷变形金属加热到更高的温度后，在原来变形的金属中会重新形成新的无畸变的等轴晶，直至完全取代金属的冷变形组织 的过程。

3.金属热塑性变形机理主要有：

晶内滑移、晶内孪生、晶界滑移 和 扩散蠕变 等。

4.请将以下应力张量分解为应力球张量和应力偏张量 ＝ ＋ 5.对应变张量，请写出其八面体线变 与八面体切应变 的表达式。

＝ ；

＝。

6.1864 年法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）根据库伦在土力学中研究成果，并从他自已所做的金属挤压试验，提出材料的屈服与最大切应力有关，如果采用数学的方式，屈雷斯加屈服条件可表述为。

7.金属塑性成形过程中影响摩擦系数的因素有很多，归结起来主要有 金属的种类和化学成分、工具的表面状态、接触面上的单位压力、变形温度、变形速度 等几方面的因素。

8.变形体处于塑性平面应变状态时，在塑性流动平面上滑移线上任一点的切线方向即为该点的最大切应力方向。对于理想刚塑性材料处于平面应变状态下，塑性区内各点的应力状态不同其实质只是平均应力 不同，而各点处的 最大切应力 为材料常数。

9.在众多的静可容应力场和动可容速度场中，必然有一个应力场和与之对应的速度场，它们满足全部的静可容和动可容条件，此唯一的应力场和速度场，称之为 真实 应力场和 真实 速度场，由此导出的载荷，即为 真实 载荷，它是唯一的。

10.设平面三角形单元内部任意点的位移采用如下的线性多项式来表示：

，则单元内任一点外的应变可表示为 ＝。

11、金属塑性成形有如下特点：

、、、。

12、按照成形的特点，一般将塑性成形分为 和 两大类，按照成形时工件的温度还可以分为、和 三类。

13、金属的超塑性分为 和 两大类。

14、晶内变形的主要方式和单晶体一样分为 和。

其中 变形是主要的，而 变形是次要的，一般仅起调节作用。

15、冷变形金属加热到更高的温度后，在原来变形的金属中会重新形成新的无畸变的等轴晶，直至完全取代金属的冷变形组织，这个过程称为金属的。

16、常用的摩擦条件及其数学表达式。

17、研究塑性力学时，通常采用的基本假设有、、、体积力为零、初应力为零、。

19.塑性是指：

在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力。

20.金属单晶体变形的两种主要方式有：

滑移 和 孪生。

21．影响金属塑性的主要因素有：

化学成分、组织、变形温度、变形速度、应力状态。

22.等效应力表达式： 。

23.一点的代数值最大的 __ 主应力 __ 的指向称为 第一主方向，由 第一主方向顺时针转 所得滑移线即为 线。

24.平面变形问题中与变形平面垂直方向的应力 σ z =。

25．塑性成形中的三种摩擦状态分别是：

干摩擦、边界摩擦、流体摩擦。

26．对数应变的特点是具有真实性、可靠性和可加。

27．就大多数金属而言，其总的趋势是，随着温度的升高，塑性　提高。

28．钢冷挤压前，需要对坯料表面进行磷化皂化　润滑处理。

29．为了提高润滑剂的润滑、耐磨、防腐等性能常在润滑油中加入的少量活性物质的总称叫添加剂。

30．材料在一定的条件下，其拉伸变形的延伸率超过 １００％ 的现象叫超塑性。

31．韧性金属材料屈服时，密塞斯（Mises）准则较符合实际的。

32．硫元素的存在使得碳钢易于产生热脆。

33．塑性变形时不产生硬化的材料叫做理想塑性材料。

34．应力状态中的压　应力，能充分发挥材料的塑性。

35．平面应变时，其平均正应力sｍ　等于　中间主应力s２。

36．钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 降低。

37．材料经过连续两次拉伸变形，第一次的真实应变为e１＝０.1，第二次的真实应变为e２＝０.25，则总的真实应变e＝0.35。

38．塑性指标的常用测量方法 拉伸试验法与压缩试验法。

39．弹性变形机理 原子间距的变化；

塑性变形机理 位错运动为主。

二、下列各小题均有多个答案，选择最适合的一个填于横线上 1．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响A工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。

Ａ、大于；

Ｂ、等于；

Ｃ、小于；

2．塑性变形时不产生硬化的材料叫做　A。

Ａ、理想塑性材料；

Ｂ、理想弹性材料；

Ｃ、硬化材料；

3． 用近似平衡微分方程和近似塑性条件求解塑性成形问题的方法称为　B。

Ａ、解析法；

Ｂ、主应力法；

Ｃ、滑移线法；

4． 韧性金属材料屈服时，A准则较符合实际的。

Ａ、密席斯；

Ｂ、屈雷斯加；

Ｃ密席斯与屈雷斯加；

5．由于屈服原则的限制，物体在塑性变形时，总是要导致最大的 A 散逸，这叫最大散逸功原理。

Ａ、能量；

Ｂ、力；

Ｃ、应变；

6． 硫元素的存在使得碳钢易于产生　A。

Ａ、热脆性；

Ｂ、冷脆性；

Ｃ、兰脆性；

7． 应力状态中的B　应力，能充分发挥材料的塑性。

Ａ、拉应力；

Ｂ、压应力；

Ｃ、拉应力与压应力；

8．平面应变时，其平均正应力sｍB中间主应力s２。

Ａ、大于；

Ｂ、等于；

Ｃ、小于；

9． 钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 B。

Ａ、提高；

Ｂ、降低；

Ｃ、没有变化；

10．多晶体经过塑性变形后各晶粒沿变形方向显著伸长的现象称为　A。

Ａ、纤维组织；

Ｂ、变形织构；

Ｃ、流线；

三、判断题 1．按密塞斯屈服准则所得到的最大摩擦系数μ=0.5。

（×）2．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响小于工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。

（×）3．静水压力的增加，对提高材料的塑性没有影响。（×）4．在塑料变形时要产生硬化的材料叫理想刚塑性材料。

（×）5．塑性变形体内各点的最大剪应力的轨迹线叫滑移线。（√）6．塑性是材料所具有的一种本质属性。

（√）7．塑性就是柔软性。

（×）8．合金元素使钢的塑性增加，变形拉力下降。

（×）9．合金钢中的白点现象是由于夹杂引起的。

（×）10．结构超塑性的力学特性为，对于超塑性金属m =0.02-0.2。

（×）11．影响超塑性的主要因素是变形速度、变形温度和组织结构。

（√）12．屈雷斯加准则与密席斯准则在平面应变上，两个准则是一致的。

（×）13．变形速度对摩擦系数没有影响。

（×）14．静水压力的增加，有助于提高材料的塑性。（√）15．碳钢中冷脆性的产生主要是由于硫元素的存在所致。（×）16．如果已知位移分量，则按几何方程求得的应变分量自然满足协调方程；

若是按其它方法求得的应变分量，也自然满足协调方程，则不必校验其是否满足连续性条件。

（×）17．在塑料变形时金属材料塑性好，变形抗力就低，例如：不锈钢（×）四、简答题 1.纯剪切应力状态有何特点？ 答：纯剪切应力状态下物体只发生形状变化而不发生体积变化。

纯剪应力状态下单元体应力偏量的主方向与单元体应力张量的主方向一致，平均应力。

其第一应力不变量也为零。

3.塑性变形时应力应变关系的特点？ 答：在塑性变形时，应力与应变之间的关系有如下特点：

(1)应力与应变之间的关系是非线性的，因此，全量应变主轴与应力主轴不一定重合。

(2)塑性变形时，可以认为体积不变，即应变球张量为零，泊松比。

(3)对于应变硬化材料，卸载后再重新加载时的屈服应力就是报载时的屈服应力，比初始屈服应力要高。

(4)塑性变形是不可逆的，与应变历史有关，即应力－应变关系不再保持单值关系。

1．试简述提高金属塑性的主要途径。

答：可通过以下几个途径来提高金属塑性：

(1)提高材料的成分和组织的均匀性；

(2)合理选择变形温度和变形速度；

(3)选择三向受压较强的变形方式；

(4)减少变形的不均匀性。

2．请简述应变速率对金属塑性的影响机理。

答：应变速度通过以下几种方式对塑性发生影响：

(1)增加应变速率会使金属的真实应力升高，这是由于塑性变形的过程比较复杂，需要有一定的时间来进行。

(2)增加应变速率，由于没有足够的时间进行回复或再结晶，因而软化过程不充分而使金属的塑性降低。

(3)增加应变速率，会使温度效应增大和金属的温度升高，这有利于金属塑性的提高。

综上所述，应变速率的增加，既有使金属塑性降低的一面，又有使金属塑性增加的一面，这两方面因素综合作用的结果，最终决定了金属塑性的变化。

3．请简述弹性变形时应力-应变关系的特点。

答：弹性变形时应力-应变关系有如下特点：

(1)应力与应变完全成线性关系，即应力主轴与全量应变主轴重合。

(2)弹性变形是可逆的，与应变历史（加载过程）无关，即某瞬时的物体形状、尺寸只与该瞬时的外载有关，而与瞬时之前各瞬间的载荷情况无关。

(3)弹性变形时，应力球张量使物体产生体积的变化，泊松比。

三、计算题 1．对于直角坐标系 Oxyz 内，已知受力物体内一点的应力张量为，应力单位为 Mpa，(1)画出该点的应力单元体；

(2)求出该点的应力张量不变量、主应力及主方向、最大切应力、八面体应力、应力偏张量及应力球张量。

解：

(1)该点的应力单元体如下图所示(2)应力张量不变量如下 故得应力状态方程为 解之得该应力状态的三个主应力为（Mpa）设主方向为，则主应力与主方向满足如下方程 即，解之则得，解之则得，解之则得 最大剪应力为：

八面体正应力为：

Mpa 八面体切应力为：

应力偏张量为：，应力球张量为：

2．已知金属变形体内一点的应力张量为 Mpa，求：

(1)计算方向余弦为 l=1/2，m=1/2，n= 的斜截面上的正应力大小。

(2)应力偏张量和应力球张量；

(3)主应力和最大剪应力；

解：

(1)可首先求出方向余弦为（l,m,n）的斜截面上的应力（）进一步可求得斜截面上的正应力 ：

(2)该应力张量的静水应力 为 其应力偏张量 应力球张量(3)在主应力面上可达到如下应力平衡 其中 欲使上述方程有解，则 即 解之则得应力张量的三个主应力：

对应地，可得最大剪应力。

3．若变形体屈服时的应力状态为：-30 0 0 15 0 23 ´ ÷ ÷ ÷ ø ö ç ç ç è æ × × × = ij s MPa 试分别按Mises和Tresca塑性条件计算该材料的屈服应力及值，并分析差异大小。

解：，Tresca准则：

MPa 而＝＝1 Mises准则：

MPa 而＝＝1.07 或者：，4．某理想塑性材料，其屈服应力为100(单位：10MPa)，某点的应力状态为：

MPa 将其各应力分量画在如图所示的应力单元图中，并判断该点处于什么状态（弹性/塑性）？ 答：＝－300MPa ＝230MPa ＝150MPa ＝－30 MPa ====0 根据应力张量第一、第二、第三不变量公式：

＝++-＝＋＋ ＝ 将、、、、、、、、代入上式得：

＝8，＝804，＝－10080(单位：10MPa)将、、代入－－б－＝0，令>>解得：

=24 =14 =－30(单位：10MPa)根据Mises屈服准则：

等效应力 ＝ ＝49.76(单位：10MPa)(单位：10MPa)因此,该点处于弹性状态。

一、填空题 1.设平面三角形单元内部任意点的位移采用如下的线性多项式来表示：

，则单元内任一点外的应变可表示为 ＝。

2.塑性是指：

在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力。

3.金属单晶体变形的两种主要方式有：

滑移 和 孪生。

4.等效应力表达式：。

5.一点的代数值最大的 __ 主应力 __ 的指向称为 第一主方向，由 第一主方向顺时针转 所得滑移线即为 线。

6.平面变形问题中与变形平面垂直方向的应力 σ z =。

7．塑性成形中的三种摩擦状态分别是：

干摩擦、边界摩擦、流体摩擦。

8．对数应变的特点是具有真实性、可靠性和可加性。

9．就大多数金属而言，其总的趋势是，随着温度的升高，塑性　提高。

10．钢冷挤压前，需要对坯料表面进行磷化皂化　润滑处理。

11．为了提高润滑剂的润滑、耐磨、防腐等性能常在润滑油中加入的少量活性物质的总称叫添加剂。

12．材料在一定的条件下，其拉伸变形的延伸率超过 １００％ 的现象叫超塑性。

13．韧性金属材料屈服时，密席斯（Mises）准则较符合实际的。

14．硫元素的存在使得碳钢易于产生热脆。

15．塑性变形时不产生硬化的材料叫做理想塑性材料。

16．应力状态中的压　应力，能充分发挥材料的塑性。

17．平面应变时，其平均正应力sm 　等于　中间主应力s2。

18．钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 降低。

19．材料经过连续两次拉伸变形，第一次的真实应变为e1＝０.1，第二次的真实应变为e2＝０.25，则总的真实应变e＝0.35。

20．塑性指标的常用测量方法 拉伸试验法与压缩试验法。

21．弹性变形机理 原子间距的变化；

塑性变形机理 位错运动为主。

二、下列各小题均有多个答案，选择最适合的一个填于横线上 1．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响A工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。

Ａ、大于；

Ｂ、等于；

Ｃ、小于；

2．塑性变形时不产生硬化的材料叫做　A。

Ａ、理想塑性材料；

Ｂ、理想弹性材料；

Ｃ、硬化材料；

3． 用近似平衡微分方程和近似塑性条件求解塑性成形问题的方法称为　B。

Ａ、解析法；

Ｂ、主应力法；

Ｃ、滑移线法；

4． 韧性金属材料屈服时，A准则较符合实际的。

Ａ、密席斯；

Ｂ、屈雷斯加；

Ｃ密席斯与屈雷斯加；

5．由于屈服原则的限制，物体在塑性变形时，总是要导致最大的 A 散逸，这叫最大散逸功原理。

Ａ、能量；

Ｂ、力；

Ｃ、应变；

6． 硫元素的存在使得碳钢易于产生　A。

Ａ、热脆性；

Ｂ、冷脆性；

Ｃ、兰脆性；

7． 应力状态中的B　应力，能充分发挥材料的塑性。

Ａ、拉应力；

Ｂ、压应力；

Ｃ、拉应力与压应力；

8．平面应变时，其平均正应力sｍB中间主应力s２。

Ａ、大于；

Ｂ、等于；

Ｃ、小于；

9． 钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 B。

Ａ、提高；

Ｂ、降低；

Ｃ、没有变化；

10．多晶体经过塑性变形后各晶粒沿变形方向显著伸长的现象称为　A。

Ａ、纤维组织；

Ｂ、变形织构；

Ｃ、流线；

三、判断题 1．按密席斯屈服准则所得到的最大摩擦系数μ=0.5。

（×）2．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响小于工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。

（×）3．静水压力的增加，对提高材料的塑性没有影响。（×）4．在塑料变形时要产生硬化的材料叫理想刚塑性材料。

（×）5．塑性变形体内各点的最大剪应力的轨迹线叫滑移线。（√）6．塑性是材料所具有的一种本质属性。

（√）7．塑性就是柔软性。

（×）8．合金元素使钢的塑性增加，变形拉力下降。

（×）9．合金钢中的白点现象是由于夹杂引起的。

（×）10．结构超塑性的力学特性为，对于超塑性金属m =0.02-0.2。

（×）11．影响超塑性的主要因素是变形速度、变形温度和组织结构。

（√）12．屈雷斯加准则与密席斯准则在平面应变上，两个准则是一致的。

（×）13．变形速度对摩擦系数没有影响。

（×）14．静水压力的增加，有助于提高材料的塑性。（√）15．碳钢中冷脆性的产生主要是由于硫元素的存在所致。（×）16．如果已知位移分量，则按几何方程求得的应变分量自然满足协调方程；

若是按其它方法求得的应变分量，也自然满足协调方程，则不必校验其是否满足连续性条件。

（×）17．在塑料变形时金属材料塑性好，变形抗力就低，例如：不锈钢（×）四、名词解释 1．上限法的基本原理是什么？ 答：按运动学许可速度场来确定变形载荷的近似解，这一变形载荷它总是大于真实载荷，即高估的近似值，故称上限解。

2．在结构超塑性的力学特性中，m值的物理意义是什么？ 答：为应变速率敏感性系数，是表示超塑性特征的一个极重要的指标，当m值越大，塑性越好。

3．何谓冷变形、热变形和温变形？ 答：冷变形：在再结晶温度以下（通常是指室温）的变形。

热变形：在再结晶温度以上的变形。

温变形：在再结晶温度以下，高于室温的变形。

4．何谓最小阻力定律？ 答：变形过程中，物体质点将向着阻力最小的方向移动，即做最少的功，走最短的路。

5．何谓超塑性？ 答：延伸率超过100%的现象叫做超塑性。

五、简答题 1．请简述有限元法的思想。

答：有限元法的基本思想是：

(1)把变形体看成是有限数目单元体的集合，单元之间只在指定节点处铰接，再无任何关连，通过这些节点传递单元之间的相互作用。如此离散的变形体，即为实际变形体的计算模型；

(2)分片近似，即对每一个单元选择一个由相关节点量确定的函数来近似描述其场变量（如速度或位移）并依据一定的原理建立各物理量之间的关系式；

(3)将各个单元所建立的关系式加以集成，得到一个与有限个节点相关的总体方程。

解此总体方程，即可求得有限个节点的未知量（一般为速度或位移），进而求 得整个问题的近似解，如应力应变、应变速率等。

所以有限元法的实质，就是将具有无限个自由度的连续体，简化成只有有限个自由度的单元集合体，并用一个较简单问题的解去逼近复杂问题的解。

2.Levy-Mises 理论的基本假设是什么？ 答：

Levy-Mises 理论是建立在以下四个假设基础上的：

(1)材料是刚塑性材料，即弹性应变增量为零，塑性应变增量就是总的应变增量；

(2)材料符合 Mises 屈服准则，即 ；

(3)每一加载瞬时，应力主轴与应变增量主轴重合；

(4)塑性变形时体积不变，即，所以应变增量张量就是应变增量偏张量，即 3．在塑性加工中润滑的目的是什么？影响摩擦系数的主要因素有哪些？ 答：（1）润滑的目的是:减少工模具磨损；

延长工具使用寿命；

提高制品质量；

降低金属变形时的能耗。

（2）影响摩擦系数的主要因素：

答：1）金属种类和化学成分；

2）工具材料及其表面状态；

3）接触面上的单位压力；

4）变形温度；

5）变形速度；

6）润滑剂 4．简述在塑性加工中影响金属材料变形抗力的主要因素有哪些？ 答：（1）材料（化学成分、组织结构）；

（2）变形程度；

（3）变形温度；

（4）变形速度；

（5）应力状态；

（6）接触界面（接触摩擦）5．为什么说在速度间断面上只有切向速度间断，而法向速度必须连续？ 答：现设变形体被速度间断面SD分成①和②两个区域；

在微段dSD上的速度间断情况如下图所示。

根据塑性变形体积不变条件，以及变形体在变形时保持连续形，不发生重叠和开裂可知，垂直于dSD上的速度分量必须相等，即，而切向速度分量可以不等，造成①、②区的相对滑动。其速度间断值为 6．何谓屈服准则？常用屈服准则有哪两种？试比较它们的同异点？ 答：（1）屈服准则：只有当各应力分量之间符合一定的关系时，质点才进入塑性状态，这种关系就叫屈服准则。

（2）常用屈服准则：密席斯屈服准则与屈雷斯加屈服准则。

（3）同异点：在有两个主应力相等的应力状态下，两者是一致的。对于塑性金属材料，密席斯准则更接近于实验数据。在平面应变状态时，两个准则的差别最大为15.5% 7.简述塑性成形中对润滑剂的要求。

答：（1）润滑剂应有良好的耐压性能，在高压作用下，润滑膜仍能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态；

（2）润滑剂应有良好耐高温性能，在热加工时，润滑剂应不分解，不变质；

（3）润滑剂有冷却模具的作用；

（4）润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用；

（5）润滑剂应对人体无毒，不污染环境；

（6）润滑剂要求使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。

8．简述金属塑性加工的主要优点? 答：（1）结构致密，组织改善，性能提高。

（2）材料利用率高，流线分布合理。

（3）精度高，可以实现少无切削的要求。

（4）生产效率高。

六、计算题 1．圆板坯拉深为圆筒件如图1所示。

假设板厚为t , 圆板坯为理想刚塑性材料，材料的真实应力为S，不计接触面上的摩擦 ,且忽略凹模口处的弯曲效应 , 试用主应力法证明图示瞬间的拉深力为：

（a）拉深示意图（b）单元体 图1 板料的拉深 答：在工件的凸缘部分取一扇形基元体，如图所示。沿负的径向的静力平衡方程为：

展开并略去高阶微量，可得：

由于是拉应力，是压应力，故，得近似塑性条件为：

联解得：

式中的 2．如图2所示，设有一半无限体，侧面作用有均布压应力，试用主应力法求单位流动压力p。

图2 解：

取半无限体的半剖面，对图中基元板块（设其长为 l）列平衡方程：

（1）其中，设，为摩擦因子，为材料屈服时的最大切应力值，、均取绝对值。

由(1)式得：

（2）采用绝对值表达的简化屈服方程如下：

（3）从而（4）将（2）（3）（4）式联立求解，得：

（5）在边界上，由（3）式，知，代入（5）式得：

最后得：

（6）从而，单位流动压力：

（7）3．图3所示的圆柱体镦粗，其半径为re，高度为h，圆柱体受轴向压应力sZ，而镦粗变形接触表面上的摩擦力t＝０.２Ｓ（Ｓ为流动应力），sze为锻件外端（r=re）处的垂直应力。

（1）证明接触表面上的正应力为：

（2）并画出接触表面上的正应力分布；

（3）求接触表面上的单位流动压力ｐ，（4）假如re＝100MM，Ｈ＝150MM,Ｓ=500MPa，求开始变形时的总变形抗力Ｐ为多少吨？ 解：

（1）证明 该问题为平行砧板间的轴对称镦粗。设对基元板块列平衡方程得：

因为，并略去二次无穷小项，则上式化简成：

假定为均匀镦粗变形，故：

图3 最后得：

该式与精确平衡方程经简化后所得的近似平衡方程完全相同。

按密席斯屈服准则所写的近似塑性条件为：

联解后得：

当时，最后得：

（3）接触表面上的单位流动压力为：

=544MP（4）总变形抗力: =1708T 4．图4所示的一平冲头在外力作用下压入两边为斜面的刚塑性体中，接触表面上的摩擦力忽略不计，其接触面上的单位压力为q，自由表面AH、BE与X轴的夹角为，求：

（1）证明接触面上的单位应力q=K（2++2）；

（2）假定冲头的宽度为2b，求单位厚度的变形抗力P；

图4 解：

（1）证明 1）在AH边界上有：

故，屈服准则：

得：

2）在AO边界上：

根据变形情况：

按屈服准则：

沿族的一条滑移（OA1A2A3A4）为常数（2）单位厚度的变形抗力：

5．图5所示的一尖角为2j的冲头在外力作用下插入具有相同角度的缺口的刚塑性体中，接触表面上的摩擦力忽略不计，其接触面上的单位压力为p，自由表面ABC与X轴的夹角为d，求：

（1）证明接触面上的单位应力p=2K（1+j+d）；

（2）假定冲头的宽度为2b，求变形抗力P。

图5 答：

（1）证明 1）在AC边界上：

2）在AO边界上：

3）根据变形情况：

4）按屈服准则：

5）沿族的一条滑移（OFEB）为常数（2）设AO的长度为L，则变形抗力为：

6．模壁光滑平面正挤压的刚性块变形模型如图6所示，试计算其单位挤压力的上限解 P，设材料的最大切应力为常数K。

图6 解：首先，可根据动可容条件建立变形区的速端图，如图7所示：

图7 设冲头的下移速度为。由图7可求得各速度间断值如下：

;;由于冲头表面及模壁表面光滑，故变形体的上限功率仅为各速度间隔面上消耗的剪切功率，如下式所示：

又冲头的功率可表示为：

故得：

7．一理想刚塑性体在平砧头间镦粗到某一瞬间，条料的截面尺寸为 2a × 2a，长度为 L，较 2a 足够大，可以认为是平面变形。变形区由 A、B、C、D 四个刚性小块组成（如图8所示），此瞬间平砧头速度为 ú i =1（下砧板认为静止不动）。试画出速端图并用上限法求此条料的单位变形力 p。

图8 解：根据滑移线理论，可认为变形区由对角线分成的四个刚性三角形组成。刚性块 B、D 为死区，随压头以速度 u 相向运动；

刚性块 A、C 相对于 B、D有相对运动（速度间断），其数值、方向可由速端图（如图9所示）完全确定。

图9 u * oA = u * oB = u * oC = u * oD =u/sin θ = 根据能量守恒：

5.材料塑性成形新技术 篇五

伸长类变形:当作用于毛坯变形区的拉应力的绝对值最大时,在这个方向上的变形是伸长变形,这种冲压变形为伸长类变形。(胀形、圆孔翻边、扩口、拉形等)压缩类变形:当作用于毛坯变形区内的压应力的绝对值最大时,在这个方向上的变形是压缩变形,这种冲压变形为压缩类变形。(筒形件拉深、缩口等。)拉深系数及拉深比:拉深系数(反映切向变形程度的大小)是拉深后零件的直径与拉深前毛坯的直径之比。它反映了毛坯外边缘在拉伸后切向压缩变形的大小。拉深系数的倒数称为拉深比,也可作为拉深变形程度的参数。冲裁变形过程:弹性变形阶段;塑性变形阶段;断裂分离阶段。锻造温度范围:从始锻温度到终锻温度之间的温度区间。加热规范:指金属毛坯从装炉开始到出炉结束的整个过程中，炉温和料温随时间变化的规定。厚向异性指数:是评定板料压缩类成形性能的一个重要参数，r值是板料试件单向拉伸试验中宽度应变εb与厚度应变εt之比,即r=εb/εt平面方向性系数的定义、意义:板料由于冶炼、轧制的原因,在板平面不同方向上的板料性能有差别,板料的这种特性被称为板平面方向性。在圆筒形零件拉深中,由于板料的板平面方向性导致拉深件口部形成凸起的耳朵现象,因而,板平面方向性也称为凸耳参数。△r越小,板料的各向性能越均匀;△r越大,则板料的各向异性越严重。所以,在冲压生产中应尽量用低△r值的板料,以保证冲压成形的顺利实施,提高冲压产品质量。

计算毛坯的定义及做法:计算毛坯是指根据平面应变假设进行计算并修正所得的具有圆形截面的中间坯料。做法:一般根据冷锻件图作计算毛坯图,首先从锻件图上选取若干具有代表性的截面,计算出轴向各横截面积,然后在坐标纸上绘制计算毛坯截面图。详细见P33 排样、搭边的定义:冲裁件在条料,带料或板料上的布置方法叫排样;排样时冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边之间留下的工艺废料叫搭边。搭边的作用：补偿了定位误差和剪板误差，确保冲出合格件；增加条料刚度，方便调料送进，提高劳动效率；避免冲裁时调料边缘的毛刺被拉入模具，从而提高模具的寿命。

锻模中心:锻模燕尾中心线与键槽中心线的交点,它位于锤杆的轴心线上。模膛中心:锻造时模膛承受锻件反作用力的合力作用点。模块中心:对角线的交点

压力中心:冲压力合力的作用点,应该通过压力机滑块的中心线。

飞边槽的作用:

1、造成足够大的横向金属流动阻力,促使模膛充满。

2、容纳坯料上的多余金属,起补偿与调节作用。

3、对锤类设备有缓冲作用。

锻造工步根据作用的分类及具体内容(第一类制坯工步,第二类制坯工步的内容):1.制坯工步与制坯模膛、其主要作用是重新分配坯料体积或改变坯料轴线形状,使坯料沿轴线的截面面积与锻件大致相适应。它包括镦粗、压扁、拔长、卡压、成形、弯曲等工步或模膛。2模锻工步与模锻模膛、其主要作用是使坯料按照所用模膛的形状形成锻件或基本形成锻件,这种工步称为模锻工步,所用模膛称为模锻模膛,有终锻、预锻两种。3切断工步与切断模膛、其作用是将锻件从棒料上切开分。

模锻斜度的定义及具体内容:为了便于从模膛中取出锻件,模锻上平行于锤击方向的表面必须具有斜度,称为模锻斜度;模锻斜度与模膛深度与宽度有关。模锻斜度分为外壁斜度和内壁斜度,外壁斜度用a表示,内壁斜度用β表示,一般外壁斜度比内壁斜度大2~5度。

冲孔连皮的定义及形式:由于锤上模锻不能靠上下模的突起部分把金属完全排挤掉,因此不能锻出通孔。终锻后留有的金属薄层,称为冲孔连皮。冲孔连皮通常有五种形式,分别是平底连皮、斜底连皮、带仓连皮、拱底、压凹。作用：造成必要的横向阻力，迫使金属填充模膛；补偿下料误差；具有缓冲作用。钳口的组成及作用:钳口是由夹钳口和钳口颈组成;作用:1锻件起模2在锻模制造时,钳口浇注模膛检验件的浇口。

二、简答题

简述冲裁件的断面特征及形成原因

冲裁件断面形成明显的区域性特征,即塌角、光亮带、剪裂带和毛刺,塌角是当凸模压入材料时,刃口附近的材料被牵拉变形的结果,在大间隙和软材料冲裁时,塌角尤为明显,光亮带是塑性变形阶段刃口切入板料后,材料被模具侧面挤压形成的,光亮带光滑、垂直、断面质量好。剪裂带是在断裂分离阶段造成的撕裂面剪裂带表面粗糙,不与板平面垂直,往往是后续变形时的裂纹源,毛刺是在出现微纹时形成的,冲头继续下行,使已形成的毛刺拉长,并残留在冲裁件上。

拉深变形的特点

1、变形区为毛坯的凸缘部分,与凸模端面接触的部分基本上不变形。

2、毛坯变形区在切向压应力和径向拉应力的作用下,产生切向压缩和径向拉伸的“一拉一压”的变形。

3、极限变形参数主要受到毛坯传力区的承载能力的限制。

4、拉深件的口部有增厚、底部圆角处有减薄的现象称为“危险断面”(底部的厚度基本保持不变)

5、拉深工件的硬度也有所不同,愈靠近口部,硬度愈高(这是因为口部的塑性变形量最大,加工硬化现象最严重）

6、有起皱、拉裂两个主要缺陷。简述弯曲变形的特点

1、外层受拉应力发生拉应变,内层受压应力发生压应变。

2、外层拉裂与内层起皱是限制弯曲的主要因素

3、弯曲精度的主要影响因素为弹性恢复

4、窄板弯曲是平面应力,立体应变状态;宽板弯曲是立体应力,平面应变状态。影响板料弯曲回弹的主要因素是什么

1.材料的力学性能σs/E越大,回弹越大。2.相对弯曲半径r/t越大,回弹越。

3.弯曲中心角α,α越大,变形区的长度越长,回弹积累值也越大,故回弹角△α越大。4.弯曲方式及弯曲模。

5.工件的形状,一般而言,弯曲件越复杂次弯曲成形角的数量越多,回弹量就越小。简述螺旋压力机模锻工艺特点

1.工艺用途广,因为螺旋压力机具有锤和压力机的双重工作特性,因而能满足各种主要锻压工序的力能要求。能在螺旋压力机上实现的锻压工序有:普通模锻精密模锻、镦粗、挤压、精整、压印、弯曲、切边、冲孔和校正等。

2.锻件精度高。因螺旋压力机的行程不固定,锻件精度不受自身弹性变形的影响;同时,螺旋压力机上一般装有下顶出器,又可采用特殊结构的组合模,可减小或消除锻件上的模锻斜度和余块,尤其配上少无氧化加热设备,可得到净化毛坯甚至成品零件

其缺点是:1.螺旋压力机的螺杆和滑块间是非刚性联接,滑块承受偏心载荷的能力差,不适宜于多模膛模锻。2.螺旋压力机每分钟行程次数少、打击速度低,所以生产率不高,且不宜用拔长类制坯工序。

三段式加热规范,试用文字说明加热规范的内容

[V]金属允许的加热速度;[Vm]最大可能的加热速度。

第一段保温的目的:

1、减小温差,使内外温度相差不大,近似相等

2、缩短下阶段的保温时间使。

第二阶保温的目的:

1、消除前段温差,是内外温度近似相等

2、缩短下一阶段的保温时间。第三段保温的目的:消除前段温差,借助扩散作用使成分组织均匀。

试述减少闭式模锻模膛工作压力的设想,分流腔的设计原则及分流腔的基本形式

减小模腔工作压力的设想:通常,模锻时的工作压力主要包括材料的理想变形抗力和变形抗力和阻力。理想变形抗力可用下式表示;piymln(R),式中,ym为锻件材料的名义流动应力；1-RR为相对面积缩减率。工作压力随相对面积缩减率R的增加而增加，当R=1时,增至无限大。相对面积缩减率R也称为变形强度,它是工件与模膛接触面积与其总的表面积之比，挤压相对面积缩减率:R=(AO-A1)/AO,A0为试样截面积,A1为产品截面积。模锻相对面积缩减率:R=(A-F)/A,F为自由表面积,(A-F)为产品与模具接触面积,A为产品总的表面积。挤压时R值为常数。开式模锻时,由于工件自由表面的减小而使R值增大。因此,如果能控制R值的增加就可减小工作压力。

分流降压腔的设置原则:分流降压腔的位置应选择在模膛最后充满的部位,确保模膛完全充满后多余金属才分流多余金属分流时在模膛内所产生的压力应比模膛刚充满时所产生的压力略有增加,以免増加总的模锻力和加快模膛的磨损。

分流腔的结构形式:

1、孔式分流腔

2、在毛坯上预留分流孔或形成减压轴

3、端部轴向分流孔热模锻压力机模锻工艺和模具设计有哪些特点

1、行程速度慢,一次行程打击中金属变形量大,且坯料中部变形大,金属沿水平方向流动剧烈。向高度方向流动较缓慢,充填模膛较困难,通常需要采用预锻。

2、热模锻压力机行程固定,不便于进行拔长、滚压等制坯工步。对于截面积变化较大的锻件,需配备其他设备进行制坯。

3、具有顶出装置,某些长轴类锻件可以竖立起来进行模锻或挤压,可以采用较小的模锻斜度进行模锻,可以提高锻件精度。

4、行程固定且变形力由机架本身承受,为了防止设备闷车,上模与下模不能压靠,期间必须留有间隙。

5、载荷是静压力,不便于制坯,坯料表面的氧化皮不易去除,因此,需配备氧化皮清除装置。

6、模具内金属变形剧烈,因此,模具寿命一般较低,所以需要采用较好的模具钢和模具润滑剂,为了提高终锻模膛的使用寿命,锻压机上模锻采用预锻是有必。

7、由于是静压力,模具可以采用镶块组合结构,它可以由上、下模板、各种垫板,上、下模块、导向装置、顶料装置等部件组成。它比整体结构的锤锻模要复杂和强大,初次投资费用较大。因此,锻压机的模具设计不仅仅是设计模膛和镶需要较为全面的考虑,设计结构合理的模架,做到适应性强,经济合理，可靠耐用。锤上模锻工艺特点是什么

（1）在模膛中是在一定速度下,经过多次连续锤击而逐步成形的。(2)锤头的行程、打击速度均可调节,能实现轻重缓急不同的打击,因而可进行制坯工作（3）由于惯性作用,金属在上模模膛中具有更好的充填效果。(4)锤上模锻适应性广,可生产多种类型的锻件,可以单膛模锻,也可以多膛模锻。锻前加热的目的

1提高金属的塑性2降低变形抗力,使金属易于流动成型并获得良好的锻后组织。制坯公工步：

1圆饼锻件制坯工步的选择:圆饼类锻件一般采用镦粗制坯,形状较为复杂的，易用成形镦粗制坯,其目的是避免终锻时产生折叠,兼有除去氧化皮,从而提高锻件表面质量和提高锻模寿命的作用。2长轴类锻件制坯工步的选择:长轴类锻件有直长轴线、弯曲轴线、带枝芽的和叉形件等四种。由于形状的需要,长轴类锻件的模锻工序由拔长、滚挤、弯曲、卡压、成形等制坯工步和预锻工步所组成

另外两个简答题

1给一个制坯工步的图形，填出各制坯的工步名称（如连杆）。一共8步。（毛坯、镦粗、拔长、滚挤、卡压、成型、弯曲、预断、终锻）2给一个凹模图，画出排样图和冲裁后的零件图。

三.问答题

简述冷锻件图和热锻件图的含义及其用途,锻件图有那些设计内容,锤锻模设计步骤是什么 冷锻件图:以零件图为基础,加上机械加工余量和锻造公差后绘制而成的。用途用于最终锻件检验是机械加工部门制订加工工艺、设计加工夹具的依据,简称为锻件图。

热锻件图:把冷锻件图上所有的尺寸加1~1.5%,为热锻件图。用途:用于锻模的设计和制造。设计内容:(1)选择分模面的位置和形状(2确定机械加工余量、余块和锻件公差3)确定模锻斜度:(4)确定圆角半径;(5)确定冲孔连皮的形式和尺寸;(6)制定锻件技术条件:(7)绘制锻件图。

锤模锻设计步骤:1.根据零件图制定锻件图2.计算锻件的主要参数,锻件在水平的投影面积、锻件的周边长度,体积和重量。3.决定设备吨位,为了能分析比较，需用两个以上不同的公式进行计算4.做热锻件图,确定终锻模膛5.决定飞边槽的形式和尺寸6.画计算毛坯图7.选择制坯工步8.决定坯料尺寸,计算下料长度9.设计预锻模膛10.设计制坯模膛11.模具结构设计,考虑是否采用锁扣模膛布置和模块尺寸,模具的安装和调整,模具的起重运输,模具材料,加工及热处理12.绘制锻模图,切边模图等。什么是冲裁间隙,为什么说冲裁间隙是重要的 凸模与凹模工作部分的尺寸之差称为间隙。冲裁模间隙都是指的双面间隙。间隙之所以重要,体现在以下几个方面

1）裁间隙对冲裁件质量的影响

（1）间隙对断面质量的影响,模具间隙合理时,凸模与凹模处的裂纹(上下裂纹)在冲压过程中相遇并重合,此时断面塌角较小,光面所占比例较宽,毛刺较,容易去除。断面质量较好;如果间隙过大,凸模刃口处的裂纹较合理间隙时向内错开一段距离,上下裂纹未重合部分的材料将受很大的拉伸作用而产生撕裂,使塌角增大,毛面增宽,光面减少,毛刺肥而长,难以去除,断面质量较差。

间隙过小时,凸模与凹模刃口处的裂纹较合理间隙时向外错开一段距离上下裂纹中间的一部分材料,随着冲裁的进行将进行二次剪切,从而使断面上产生二个光面,并且,由于间隙的减小而使材料受挤压的成分增大,毛面及塌角都减少,毛刺变少,断面质量最好。因此,对于普通冲裁来说,确定正确的冲裁间隙是控制断面质量的一个关键。

(2)冲裁间隙对尺寸精度的影响材料在冲裁过程中会产生各种变形,从而在冲裁结束后,会产生回弹,使制件的尺寸不同于凹模和凸模刃口尺寸。其结果,有的使制件尺寸变大,有的则减小。其一般规律是间隙小时,落料件尺寸大于凹模尺寸,冲出的孔径小于凸模尺寸;间隙大时,落料}件尺寸小于凹模尺寸,冲出的孔径大于凸模尺寸。2)冲裁间隙对冲压力的影响

一般来说,在正常冲裁情况下,间隙对冲裁力的影响并不大,但间隙对卸料力推件力的影响却较大。间隙较大时,卸料及推料时所需要克服的摩擦阻力小,从凸模上卸料或从凹模内推料都较为容易,当单边间隙大到15%~20%料厚时,卸料力几乎等于零。3)冲裁间隙对冲模寿命的影响

6.材料塑性成形新技术 篇六

理论主要是金属塑性成形理论（讲课）

技术液态金属成形、固态金属成形，金属连接成形的先进技术（讲座）

第1章绪论

第2章应力分析

第3章应变分析

第4章屈服准则

第5章应力应变关系

第6章主应力法第7章滑移线法

第8章上限法第9章其它方法

第10章 各向异性材料的屈服条件和流动理论

第11章 金属粘塑性本构关系

第12章 粉末体塑性成形理论

参 考 书

先进材料成形技术与理论樊自田...[等] 编著TB3/202化学工业出版社 2006

现代材料成形新技术徐光, 常庆明, 陈长军编著TB3/307化学工业出版社2009

7.材料塑性成形新技术 篇七

数值模拟的主要方法是有限元法, 它是一种与解析法完全不同的思路, 它的基本思想是将一个连续域离散为有限个力学单元, 这些单元通过有限个公共节点相连接, 组成的集合体能提供整个连续域结构的力学特性。由于单元能按不同的联结方式进行组合, 且单元本身又可以有不同形状, 因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限元法利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数由未知场函数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。这样一来, 一个问题的有限元分析中, 未知场函数在各个节点上的数值就成为新的未知量, 从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题, 一经求解出这些未知量, 就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值, 从而得到整个求解域上的近似解。

1 有限元方法的发展历史

有限元法最早可追溯到上世纪40年代。Courant首次成功应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理求解了圣维南扭转问题。50年代中期, Turner和Clough等在分析飞机结构时, 将钢架位移法推广运用于弹性力学平面问题, 使用三角形单元得到了平面应力分析的正确答案, 使人们认识到了它的功效, “有限单元法” (finiteelement method, FEM) 一词由此而生。1963年Melosh认识到, 有限单元法的数学基础是一种基于变分原理的分片Ritz法, 从而奠定了其数学理论基础。1967年, Marcal和King[1]首次用有限元法求解了弹塑性变形问题, 揭开了有限元法在塑性加工领域应用的序幕。到了20世纪七八十年代, 有限元分析基本理论和方法已发展成熟, 从最早的结构化矩阵分析渐渐发展到板、壳和实体等连续体力学分析。随后的研究致力于高精度单元、板壳单元、非线性问题的迭代求解方法、适用于新型材料的有限元方法、多尺度有限元和多场耦合等问题研究。

2 有限元商业软件简介

目前在国际上, 用于分析塑性成形问题的有限元软件不下100个。如表1-1[2,3,4,5]所示列出了目前国际上在塑性成形数值模拟领域比较有名的软件及其应用情况。

3 塑性变形过程数值模拟的基本过程

3.1 物体离散化

结构离散化, 就是将分析的对象划分为有限多个单元体, 并在单元体的指定点设置结点, 把相邻的单元体连接起来组成单元的集合体, 以代替原来的结构, 这个过程又称为网格 (单元) 划分。单元体的形状、大小和所有单元的总数都会影响模拟计算的结果, 一般来说, 网格密度越高 (即在网格中单元的数量越大) , 计算结果就越精确, 随着网格密度的增加, 分析结果会收到唯一解, 但用于分析计算所需的时间也会增加。

如果分析的对象是连续体, 那么怎么划分单元就成为有限元分析首先遇到的问题。为了有效地逼近实际的连续体, 就要合理地选择单元的形状、确定单元数目和划分方案等。

对于连续体结构的离散, 需要人为地设置一些结点, 结点与结点之间的连线将成为单元的边界。结构离散化是有限元分析的第一步, 它实际上涉及整个分析计算方案的确定。

3.2 选择位移模式

有限元分析的主要目的是计算出分析对象的盈利、应变和位移, 但在基本方程中, 只有结点处的位移作为未知量。为了能用结点位移表示单元内任一点处的位移, 必须对整个单元内位移的分布作出一定的假设, 即必须位移是坐标的某种简单的函数, 这种函数就称为位移模式, 也称为位移函数。

3.3 单元力学特性分析

单元的力学特性分析主要包括三部分的内容。

3.3.1 利用几何方程中的应变与位移关系, 由位移表达式 (1) 导出用结点位移

表示单元应变的关系式, 即:

式中:{ε}为:单元内任意一点的应变矩阵;[B]为:单元应变矩阵。

3.3.2 利用物理方程, 即应力应变关系{σ}=[D]{ε}及应变与位移关系式 (2-2) 可导出用结点位移表示单元应力的关系, 即:

式中:{σ}为:单元内任意一点的应变矩阵;[D]为:单元应变矩阵。

3.3.3 按照虚功原理建立作用于单元上的结点力与结点位移的关系, 即单元的刚度方程, 记为:

式中:{R}为:单元内任意一点的应变矩阵;[K]为:单元应变矩阵。

4 结语

4.1 本文对有限元方法的发展历史进行了详细的介绍和分析, 并在此基础至少总结了之前的学者对于有限元分析研究的成果, 提出了学者的研究现状与未来的发展方向。

4.2 本文对当前国际上的主流CAE数值模拟分析技术进行分析, 总结了当前国内外各种分析技术的主要特点和应用场合, 为以后的设计和分析提供了指导和参考。

4.3 本文通过结合之前学者的研究成过得出了塑性成形中数值模拟的基本过程为:物体离散、选择位移模式以及单元力学特性分析, 三大步骤。

摘要：本文以金属成形工艺中的有限元数值模拟技术为研究对象, 基于之前学者的研究基础, 对现有的数值模拟技术种类与理论技术尽心了系统的介绍和分析, 并通过对现有的有限元数值模拟软件和技术进行对比分析, 得出得出了各种数值模拟软件的特点和应用场合, 为实际的设计和仿真提供了很好的参考和指导。

关键词：CAE,金属成形,数值模拟技术

参考文献

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[3]Koc M and Altan T.prediction of forming limits and parameters in the tube hydroofrming process[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2002 (42) :123-138.

[4]韩聪, 王小松, 苑世剑.管材内高压成形多步法数值模拟[J].材料科学与工艺, 2007, 15 (4) :465-468.